物理力学知识在建筑工程中应用

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摘要：建筑力学的结构部分是建筑结构的基础，主要包括弯矩的计算和破坏的定量原理等，物理力学知识在建筑工程中的应用范围及其广泛，包括了建筑工程中的各个方面，因此研究物理力学知识在建筑工程中的应用具有重要作用。本文笔者以基础力学观点和力学与建筑力学关系为基点，对建筑力学形成的主要任务和内容进行初步的分析与探讨。

关键词：物理力学；建筑工程；应用

力是物理学当中一个非常重要的概念，它是指物体之间相互的作用。力的范围包括物体的形变和运动形态的改变，根据其受力的情况可以分为受力物体以及施力的物体。建筑力学是为建筑专业的学生所开设的一门具有理论性和实践性的技术基础课程，旨在培养学生应用力学的基础建筑力学本原理，分析和研究其建筑结构及其构件在各种条件之下的刚度、强度、稳定性等方面的能力。作为一名建筑师，我们要努力地学好力学各个方面的知识，为人类力学的发展贡献出我们自己的一份力量。

一、建筑工程中物理力学的范围

建筑工程中涉及的物理力学知识众多，主要是研究物质宏观运动规律及其应用，建筑工程给物理力学的实际应用提出了更高的要求，物理力学的最新研究成果可以为建筑工程提供一些设计思路。人类对于物理力学知识在建筑工程中的应用可以追溯到很久远的时代，我国古代及古希腊的一些著作中，就已经对物理力学在建筑工程中的应用做了一些叙述，然而在过去的建筑工作中，主要还是凭借经验来进行工程建设的。伽利略出版了世界上第一本有关材料力学的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》，但从其具体的内容来看，对于建筑工程物理力学知识的应用这方面的研究依旧不成熟。而后纳维宣读了《在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式》，这被视作弹性理论的开端。早在我国公元前5世纪到4世纪，《墨经》中就有对物体所受浮力与其排开液体体积之间关系的叙述。土木工程力学初步形成于20世纪初期，并且在40年代以后获得了迅速的发展。在这一发展过程中，泰尔扎吉的作用不可忽视。19世纪到20世纪前叶，对建筑物梁的刚度和强度、变形和力、稳定性、弹性模量的研究反映出了这时候力学知识研究对象的全面性，更倾向于从宏观的角度，将实验与理论相结合，就物体的各种性质展开深入的研究。正是因为有了20世纪前叶物理学的快速发展，并以现代数学为基础，理性力学这门新的学科出现了。随着结构工程技术的不断进步，建筑工程学家联同数学家和力学家们对工程力学的发展做出了突出的贡献。固体力学包含材料、结构、弹性、塑形、复合材料等方面，其中，材料力学、结构力学和弹性力学在建筑工程上的应用非常广泛，于是很多人把这三个门类统称为建筑力学，这也就充分表明了，这是一门主要应用于物理力学中的一般原理来对其自身作用在各种建筑物上的影响进行研究的学问。物理力学在建筑工程技术方面的应用促使各种工程力学或者应用分支出现，建筑力学是一门基础性科学，又是一门应用型科学，在工程中的应用以及与社会各行业的结合是非常密切的。与力学相关的基础学科也有很多，主要包括数学、化学、物理、天文、自然科学等，而与力学相关的工程学科有土木、机械、交通、能源、化工等。伴随着社会各行业的发展，我国国民经济水平不断提高，科技技术也取得了较大的进步，使得力学在其中的作用越来越突出，甚至有的时候会起到关键性的作用。因此，研究力学，学生就可以在未来从事与之相关的工作，从这一方面来讲，力学专业的学生专业对口范围广泛，全社会对力学人才的需求也是非常大的。

二、基础力学观点

材料力学研究杆件与简单静定杆件结构，属弹性范围内的研究。拉压弯剪扭一定要精通。剪力图、弯矩图随手就能画。基本假定要熟悉，为结构力学打基础。推荐教材宋子康版材料力学。结构力学研究杆件结构，分静定与超静定。也属于弹性范围内的研究。静定结构的弯矩图不提了，这是基本功底。超静定力法，位移法牢记在心。重在理解，其中位移法注重定性分析，拿到结构就能有关键点弯矩走向的判断。静定与超静定的区别用心体会。弹性力学主要研究板，属于弹性范围内的研究。主要有两个内容，平面应力问题和平面应变问题。力的平衡（转换为应力），位移协调之间的桥梁即是应力应变本构关系，具体的就是胡克定律所推导出的弹性本构关系。塑性力学是研究生学习内容。主要研究塑性变形，即塑形变形后的应力应变本构关系。掌握应力张量、应变张量。其他的定理稍加理解即可，因为用得最多的是应力张量、应变张量以及不变量和破坏准则。

三、基础力学观点在建筑工程中的应用

（一）材料力学的应用

首先我们必须要明确材料力学的含义，研究材料力学的应用就是探讨作用力对物体形状的改变，研究杠杆的拉伸、压弯、扭曲、变形的特点，然后对物体在变化过程中的强度和刚度及稳定性进行分析和计算。因此我们研究材料力学在建筑工程中的应用主要就是为了获得材料在外力作用下形成的一般规律，能够支撑分析和计算的各种理论条件，最后基于对建筑结构设计的安全性和可靠性问题的解决得出结果，以调和建筑结构设计安全性与其获得的经济效益的矛盾。材料力学的主要研究对象为杠杆，所谓杠杆就是指建筑物中的各种梁、柱、杆等。杠杆受力会有各种情况，因此其变形式就有许多种，主要有拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲四种形式，在实际建筑工程中的杠件，本质上可以看出是上述四种基本变形的组合形态，那么我们就要重点研究组合变形在建筑工程中的应用。首要问题是把握有关组合变形强度的计算方法。具体方法主要是将影响物体变形的各种外力分解或者简化成为符合基本变性外力作用条件的效力系；根据基本变形确定横截面内力、位置和分量；对危险点的硬力状态进行分析，选择合适的理论提供强度条件，然后开始计算。在材料力学的应用实践中，压杆稳定是必须要提高重视的课题。当建筑物中细长的受压杆因为承受超出其承受能力的压力时，会因为突然的弯曲而被破坏，被称作是失稳现象，这也这也是施工过程中经常出现的问题，会导致非常严重的后果，甚至使整个建筑物倒塌。在很多建筑工程意外事故中，有相当一部分是因为压杆失稳而导致的，那么就要考虑如何提高腰杆的稳定性，可以从合理选用截面形状、缩小压杆长度、改变压杆两端约束、合理选择压杆材料来实现。

（二）结构力学的应用

建筑结构是在工程中由各种建筑材料来做成的，用于承受、支撑或者各种负荷或作用的受力体系，因为所使用的建筑材料不同，建筑结构又可以分为钢结构、混凝土结构、砌体结构、轻型钢结构、木结构和组合结构等。一个真正安全、美观又能够实现经济效益的建筑结构必然需要同时满足安全性和稳定性的要求，研究结构力学在建筑工程中的应用的主要目的就是确保所有杆系结构能够在满足各种刚度、强度、稳定性上要求的具体方法和原理。首先，在刚度问题上，先要明白刚度的含义，建筑结构的刚度主要反映了结构在正常使用的情况下，能够承受的极限变形状态的一种性质。在荷载不变的情况下，结构刚度越大，结构变形就要越小，反之，结构的变形越大，那么结构的刚度就要更小。要保证建筑物最后的安全和稳定，就要使其在前期设计中，在施加了各种预期设计会产生的作用力后，尽可能地避免发生破坏和变形的概率。一旦建筑物的结构刚度很小，就会超出其正常使用情况下的极限状态，结构就会失去其本来的使用功能。在房屋建筑物中，既要满足强度要求，又不至于产生破坏，就要把控梁的变形，对其刚度作一定限制，避免过度变形，超出规定范围，影响正常使用。其次，在强度问题上，当建筑物建构达成最大承载力，或是因为长时间使用承载过度就意味着该结构已经到了承载极限状态。当结构出现了倾覆、滑移、塑形过度时，既被认定丧失了承载能力。当建筑物出现上述情况时，就必须要重新考虑建筑物的强度要求了。对于稳定问题，在建筑物的中心受压杆上，一旦压力负荷，受压杆都会出现弯曲，由原来的直线变为曲线形状，受压杆原本的工作性质被破坏，比如房屋的柱子太细、太长，就会失去稳定，导致建筑物倒塌。在建筑工程中，不乏因为结构失稳而导致的许多意外事故，历史上已有诸多实例。随着现代工程技术的不断发展，城市建筑物中的高层建筑越来越多，对建筑物材料的要求也越来越高，建筑结构也会更加复杂，这也就加剧了建筑物结构部件的失稳可能性。因此，应用结构力学知识最主要的目的是保证建筑物强度和刚度的合理，保证建筑物有足够的稳定性，这是现代化工程建筑的必然要求。

（三）弹性力学的应用

弹性力学又称弹性理论，主要研究的是物体在外力作用或者是温度变化等客观因素的影响下，产生的应力、变化和位移，弹性力学的应用主要是为建筑物结构或设计中对刚度和强度要求的问题作补充。在研究对象上，弹性力学不同于结构力学和材料力学，三者之间有自身各自的分工。简言之，材料力学只研究杆状构件，结构力学是在材料力学的基础上，对杆状构件所组成的结构进行研究，就是对杠件系统进行研究，而弹性力学就是包含对所有结构、部件在内的各种弹性体的研究，因此，它是物理力学在建筑工程应用中各个类别的交叉点。对于物体的弹性变形，应当从建筑材料内部作用进行分析。固体材料之所以能够在内部结构上保持稳定，主要是因为使用的固体材料的内部原子之间可以相互平衡，原子之间密切联系，又可以保持一定距离，形成平衡关系。当受到外力作用时，这种平衡关系被打破，为了再次恢复这种平衡关系，材料内部原子之间便需要进行移动和调整，重新取得各个作用力之间的平衡。那么如果能够得出原子之间作用力的一般规律，就可以得出物体受到弹性作用力的反应。建筑工程包括多个专业方面，不同专业对于弹性力学的应用和要求是不同的。岩土、地下工程显然对弹性力学有着高要求，还有建工方向对弹性力学的要求相对较低。弹性力学在建筑工程中的应用能够使建筑物有效避免各种不可抗力的影响，保证建筑物能够在合理范围内保持晃动频率，特别是在地震等地质灾害中可以减少房屋破坏或倒塌的现象。在水坝建筑结构中，弹性力学同样也有着很大的应用空间，水坝建筑物具有曲线性，能够承受内部和外部压力。弹性力学在建筑工程上有不少应用实例。材料力学和结构力学的研究对象是杆状构件，比如常见的梁结构，在承重的主梁上经常会涉及弹性力学。建筑物主梁长期受到自上而下的压力，逐渐会向下弯曲，产生变形，单纯采用材料力学的知识解释梁作用的问题是不可行的，必须要结合弹性力学的方法。比如对于混凝土梁来讲，必须要分析内部结构的作用力，才可以顺利展开接下来的设计。如果单独按照材料力学或者结构力学的方法，对混凝土梁进行力学分析，那么就会得出梁截面很大的结论，这不仅会浪费建筑材料，更难以达到预期的结构效果。在高层建筑物中，最上面的建筑物一般较小，下面的建筑物空间较大，这两种建筑结构之间会出现一个过渡层，这个过渡层采用的结构一般是框支梁，而该梁的高度较高，框支梁的受力会更加复杂，必须要用精细的弹性力学进行分析。在岩土工程上，很多时候还是要按照弹性力学来考虑，才会满足复杂工程的需求。

四、力学与建筑力学

建筑力学必然涉及如何将工程实际问题上升到理论层次上进行研究，在理论分析时又如何考虑实际问题的情况等。例如，如何将实际的结构连同其所受的荷载和支承等简化为可供计算的“力学模型”；在分析和计算时要考虑存在的主要因素以及实际建造商的方便性和经济性；等等。需要多多注意观察工程上常遇到的一些结构，尝试用力学方法去分析问题。所有满足受力和受力规律的一切学科都可以称之为力学。力学表示自然学科中的数学、天文学、物理学、地理学和生物学内容，涉及的范围非常广泛。人们最初对力学的研究，主要从一些自然现象和劳动经验中获得。从新时期时代改变巢居穴到17世纪的土木时代的发展，给力学建立了发展基础。古希腊时代阿基米德研究了杠杆的平衡和水中物体受到浮力之后，中心位置的改变，利用一定的原理对自己的研究进行了确定。随着社会的发展，很多建筑开始建立起来，成为了古代建筑文明的主要组成部分。

五、建筑力学的主要任务与内容

建筑力学是以物理和高等数学为基础的一门专业基础课，要求学生具备一定的数学和物理知识。主要研究对象是杆件和杆件结构，它虽有应用的背景，但不涉及具体的工程或产品。它是建筑工程技术专业后续的建筑结构、地基与基础、建筑施工等课程的必备的理论基础。因为它还涉及有应用背景，所以在具体的工程或产品中可以解决一些实际的力学问题。它又是对学生进行思维和技能训练、培养能力的主要课题，因而它的覆盖面比较宽，且要求有一定的理论深度和知识广度，还具有与建筑工程技术相关的方法论，对所培养的建筑工程技术人员打下必要的力学理论基础。作为施工技术及施工管理人员，必须掌握一定的建筑力学知识，知道结构和构件的受力情况、危险截面危险点、各力的传递途径以及结构和构件在这些力的作用下会发生怎样的变形等等，这样才能很好理解涉及图纸的意图及要求，科学的组织施工，制定出合理的安全和质量保证措施；在施工过程中，要将设计图纸变成实际建筑，往往要搭设一下临时设施及机具，确定施工方案、施工方法和施工技术组织措施。如对一些重要的梁板结构施工时，为了保证梁板的形状、尺寸和位置的正确性，对安装的模板及其支架系统必须要进行设计和演算；进行深基坑（槽）开挖时，如采用土壁支撑的施工方法防止土壁塌落，对支撑特别是大型支撑和特殊的支撑必须进行设计和计算，这些工作都是由施工技术人员来完成的，因而，只有懂得力学知识才能很好地完成设计和演算任务，避免发生质量和安全事故，确保建筑施工正常进行。要想成为一名优秀的建筑工程师，想要设计出兼具审美价值和经济效益的优美建筑物，就必须要对多个方面的知识进行逻辑的整合和全面的理解，这些知识就主要包括物理力学在建筑物上的作用和影响的内容。只有具备扎实的物理知识基础，才能够在实际的建筑工程中使自身的设想更加完美地实现，并且确保施工工程的顺利展开，这样就能够获得预期的经济效益，又能够保证安全效益，实现力与形之间的和谐统一。当然，要想使整个建筑工程平稳有序推进，少不了建筑师在施工过程中做好彼此之间的协调工作，注意合理分工，合作交流，根据具体问题具体分析，才能够避免一些矛盾的产生。

六、结语

总之，物理力学知识对建筑学而言极其重要，在中职教育中教师可通过物理学与建筑学的跨学科融合来创新教学，通过建筑学中的力学知识来强化力学实践，只有合理地运用力学方法，才能建筑出节约成本、令人们满意的建筑结构。

作者:秦月华 单位:江苏省泰兴中等专业学校