論建筑結(jié)構(gòu)形式發(fā)展的力學(xué)原理

劉云波

重慶大德建筑設(shè)計(jì)有限公司

論建筑結(jié)構(gòu)形式發(fā)展的力學(xué)原理

劉云波

重慶大德建筑設(shè)計(jì)有限公司

從古至今，房屋、橋梁等建筑在建造過程中都需要符合力學(xué)原理。遵循著將彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S力的力學(xué)主線，貫穿著建筑史發(fā)展的全過程。運(yùn)用力學(xué)原理能夠使建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，防止建筑物出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，同時(shí)，還能節(jié)約建筑材料。本文從力學(xué)主線的角度出發(fā)，分析建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。

建筑結(jié)構(gòu)形式；發(fā)展；力學(xué)原理

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑業(yè)也在不斷的發(fā)展。建筑業(yè)是我國的重要支柱產(chǎn)業(yè)，建筑業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)形式需要運(yùn)用力學(xué)原理，遵循將彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S力的力學(xué)主線。運(yùn)用力學(xué)原理進(jìn)行建筑物建設(shè)，能夠節(jié)約建造成本，避免出現(xiàn)倒坍現(xiàn)象，促進(jìn)人們的生活。

2 建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展史

建筑與結(jié)構(gòu)是不可分割的，缺一不可。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們逐漸提高了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，建筑工程不僅要保證質(zhì)量和性能，還需要符合美觀的要求，滿足人們的品味。因此，美觀實(shí)用和安全可靠逐漸成為建筑工程的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。但是兩者基于不同的知識(shí)和技能，具有一定的差異，為了最大的滿足人們的需要，專業(yè)人員不斷提高這兩方面的技能，美觀實(shí)用和安全可靠的設(shè)計(jì)人員也不同。兩者的知識(shí)和技能不同，導(dǎo)致專業(yè)人員需要掌握的內(nèi)容也不一樣。美觀實(shí)用要求專業(yè)人員掌握美術(shù)和建筑這兩方面的知識(shí)。安全可靠要求專業(yè)人員除了掌握美術(shù)和建筑這兩方面知識(shí)外，還需要掌握力學(xué)、數(shù)學(xué)、制造與施工也等專業(yè)知識(shí)。隨著建筑工程的發(fā)展，建筑工程要求專業(yè)人員掌握的專業(yè)知識(shí)也越來越多，美學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科都需要專業(yè)人員掌握，學(xué)會(huì)運(yùn)用，學(xué)習(xí)要求增多，難度也變大。建筑結(jié)構(gòu)形式發(fā)展要求專業(yè)人員掌握專業(yè)知識(shí)，而專業(yè)知識(shí)又幫助建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，兩者缺一不可，相互促進(jìn)。

3 建筑結(jié)構(gòu)形式的劃分

3.1 按材料劃分建筑結(jié)構(gòu)形式按使用材料劃分可分為木質(zhì)結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土與鋼的組合結(jié)構(gòu)。其中，木質(zhì)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于單層建筑中，使用的材料為木制材料。混合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于單層建筑和多層建筑，承重部分使用磚石材料，樓頂使用鋼筋混凝土材料。鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于工廠房、承重能力強(qiáng)的廠房以及移動(dòng)房等。其使用的材料主要是鋼。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于高層或者是多層建筑，其使用材料主要是鋼筋混凝土。鋼筋混凝土與鋼的組合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于超高層建筑，其使用材料主要有混凝土與鋼筋。

3.2 按墻體劃分建筑結(jié)構(gòu)形式按墻體劃分可分為全剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、框一一結(jié)構(gòu)、簡體結(jié)構(gòu)、框一一支結(jié)構(gòu)、無梁樓蓋結(jié)構(gòu)。全剪力墻主要應(yīng)用于高層以及超高層建筑，其屬于建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大。框架一剪力墻結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于高層建筑。框一一結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于高層和超高層建筑。簡體結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于超高層建筑。框一一支結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于超高層建筑，其主要材料是鋼結(jié)構(gòu)。無梁樓蓋結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于大空間和大柱網(wǎng)建筑。

4 建筑結(jié)構(gòu)形式遵循的自然力學(xué)規(guī)律

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)形式的側(cè)重點(diǎn)不同，但是無論是建筑還是結(jié)構(gòu)都需要遵循力學(xué)原理，保證建設(shè)和結(jié)構(gòu)的安全。結(jié)構(gòu)物承受著一定的荷載，其在每個(gè)截面上都會(huì)產(chǎn)生拉、壓軸力、剪力、彎矩、扭矩等。彎矩是最為危險(xiǎn)的。彎矩和拉、壓軸力產(chǎn)生的力偶鉅是等效的。彎矩把內(nèi)力作用到截面上，其內(nèi)力分布不均勻。彎矩使中性層材料的力學(xué)性能得不到充分的施展。例如，一根桿件，給其施加一定的加壓力和壓力時(shí)采用軸向，折斷它的可能性很小。但是，采用橫向加力時(shí)會(huì)形成彎矩和剪力，折斷桿件就非常容易。因此，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)建為了能夠正常工作，必須要求每個(gè)截面承受剪力、拉、壓軸力、彎矩。

5 建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)例

5.1 堆砌結(jié)構(gòu)古埃及金字塔就是采用堆砌結(jié)構(gòu)建造的。建造者為了表達(dá)對(duì)帝王的崇拜，采用了石材進(jìn)行建造，石材承壓能力強(qiáng)，且安全耐用。金字塔結(jié)構(gòu)簡約、體積龐大，給人一種敬畏的感覺。從結(jié)構(gòu)學(xué)來講，金字塔只承受壓應(yīng)力，受力結(jié)構(gòu)簡單。經(jīng)歷了數(shù)年的風(fēng)雨變化，金字塔依然屹立不倒。堆砌結(jié)構(gòu)形式的受力情況符合石材的要求，受到當(dāng)時(shí)人們的喜愛。但是，金字塔的建造時(shí)間漫長，運(yùn)用大量的人力、物力、財(cái)力，其內(nèi)部空間小，使用價(jià)值不高。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類的需要提高，需要提高建筑結(jié)構(gòu)的空間，由此，梁、板、柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在人們視野中。

5.2 梁、板、柱結(jié)構(gòu)梁、板、柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用的材料是木材。石材承受拉力的強(qiáng)度低，因此不能承受彎矩。木材能夠承受一定的拉力和壓力，值得使用。在當(dāng)代，鋼材和鋼筋混凝土取代木材占據(jù)主導(dǎo)地位。石材雖然有一定的弊端，但是仍受到人們的認(rèn)識(shí)，木材雖然受彎能力強(qiáng)，但是也有一定的局限。歐洲很多建筑都采用此結(jié)構(gòu)。例如，愛琴文化的克諾索斯宮殿、宗教神廟等。隨后用發(fā)展了拱、殼、柱的結(jié)構(gòu)。后來又出現(xiàn)了梁、板、拱、殼、柱的結(jié)構(gòu)，其中羅馬建筑是此結(jié)構(gòu)的典范。

5.3 拱、殼結(jié)構(gòu)拱、殼結(jié)構(gòu)深受古今中外的喜愛，拱、殼結(jié)構(gòu)能夠覆蓋大跨度，代替了梁板結(jié)構(gòu)。拱、殼結(jié)構(gòu)符合把彎矩通過結(jié)構(gòu)形式的改變轉(zhuǎn)化為軸力的規(guī)律。通過該規(guī)律建造出的結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)固、耐用、不容易破壞，容易保留的特點(diǎn)。此結(jié)構(gòu)經(jīng)過無數(shù)人的實(shí)踐證明，具有可行性。實(shí)踐證明，拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的支座水平反力能夠使每一個(gè)截面生成負(fù)彎鉅，負(fù)彎矩能夠抵消正彎鉅，受壓力強(qiáng)。通過該結(jié)構(gòu)建造的建筑物具有美觀實(shí)用、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)建造的建筑物具有標(biāo)志性作用。例如，意大利威尼斯、圣瑪麗亞.莎留特教堂、佛羅倫撒主教堂、羅馬城萬神廟、法國克勒芒-費(fèi)杭圣母教堂等。

6 結(jié)束語

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑業(yè)也在不斷的發(fā)展壯大，高層結(jié)構(gòu)的建筑在建筑中占據(jù)重要位置。建筑結(jié)構(gòu)形式需要遵循力學(xué)發(fā)展規(guī)律，根據(jù)該力學(xué)規(guī)律創(chuàng)造出更多的新結(jié)構(gòu)，促進(jìn)社會(huì)建筑業(yè)的發(fā)展。

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