建筑結構與材料及其力學特性初探

譚楚琰

摘要? 隨著建筑行業的不斷發展，代表建筑學頂尖水平的超大型、超高難度建筑工程應運而生，與之相關的建筑結構與建筑材料科學也廣受關注。論文對建筑工程上常見的建筑結構形式在不同荷載下的力學問題進行了分析，并對結構中常用材料的力學特性進行了討論。

關鍵詞 建筑結構;建筑材料;荷載;力學特性

隨著國家城市化建設進程的不斷推進，我國農村城鎮化建設步伐一直保持著向前高速發展的態勢，這使得城市的地理空間不斷擴大，城市生活圈、功能圈輻射范圍也向更偏遠的村鎮覆蓋。借著國家基礎設施建設高速發展的契機，我國的建筑行業最近幾年呈井噴態勢成長，一方面適應國家建設的需求，另一方面推動國家經濟的快速增長。與此同時，代表建筑行業頂尖水平的各類極具代表性的建筑工程也隨著建筑行業的發展應運而生，包括舉世聞名的三峽大壩工程、全球最長的跨海大橋（港珠澳大橋）、世界第一高橋（北盤江大橋），等等。

建筑行業的飛速發展最根本的依賴是建筑結構形式和建筑材料的不斷創新發展。然而，不管是古建筑還是最新的各類建筑工程，最重要的承載以及傳力構件仍然是最基本的梁、柱等結構形式，而構成這些基本結構的材料主要包括鋼筋、水泥、木材等;此外，一些新型的結構形式如空腹鋼架、空間桁架、膜結構以及新材料如復合材料等也有一定的應用。本文將對典型的建筑結構和建筑材料開展研究，主要探討其力學特征問題，并對其在建筑工程上的應用進行簡單總結。

一、建筑結構的力學問題

建筑結構主要由柱、梁、板等組成，具有一定的空間功能，能承受荷載、溫度變化、基礎沉降等各種因素。建筑結構應具有安全性、適用性、耐久性等特點，也即是說，結構在施工、使用過程中遇到各種荷載作用時首先能保持結構的整體穩定性而不倒塌，其次結構應在使用環境下在設計使用年限范圍內不會出現影響結構功能的損傷。

建筑結構形式眾多，主要包括砌體結構、墻板結構、框架結構、剪力墻結構、殼體結構、懸索結構、網架結構、膜結構等，下面對不同結構的力學問題進行簡單分析。

砌體結構常見于建筑的墻、柱、基體、隧道等，主要承受結構的自重;砌體結構受垂直方向的載荷，因此砌體結構具有良好的抗壓性能;然而，由于磚、石與砂漿之間的粘接力較弱，砌體結構的抗拉、抗剪、抗彎及抗震性能都很差。墻板結構由墻體和樓板組成，常用于居住建筑中;墻體是其主要承重結構，能承受垂直方向的重力荷載以及突發的地震荷載等。框架結構是梁和柱組成的承重體系，主要承受水平和垂直方向的荷載;框架結構側向剛度小，其結構類似于豎向的懸臂剪切梁，受水平荷載或地震荷載時上層結構會出現較大水平位移，因此不能用于高層建筑。

剪力墻結構的受力形式與框架結構類似，主要承受豎向和水平荷載;不同之處在于剪力墻中采用了鋼筋混凝土墻板，增加了墻面內的剛度，能承受各類荷載引起的內力，這種結構在高層房屋中被大量運用。剪力墻結構的受力形式主要為剪力或彎矩荷載，荷載的來源是結構底部受地基約束作用而結構上端受風載等水平荷載，約束和荷載形成一對剪力，同時上端的水平荷載會使得墻體發生彎曲效應，因此，墻體上的內力是剪應力和彎曲正應力的組合。

殼體結構中殼層的厚度遠小于其余兩個尺寸，其受力形式為外部荷載作用于殼體表面，殼體上的應力主要為拉、壓應力，殼體結構為空間曲面結構，具有良好的空間傳載性能，其剛度大、承載能力高。網架結構主要由桿件構成，桿件之間通過節點連接，能承受水平和豎直方向的荷載，也能承受風載、地震荷載等，具有空間受力小、重量輕、剛度大、抗震性能好等優點;由于桿件結構主要承受軸向載荷，作用于結構上的彎矩通常由節點承擔。懸索結構主要承受拉伸荷載作用，結構內部主要為拉應力，常采用鋼絲束、鋼絲繩等抗拉性能好的材料，主要用于橋梁、大跨度高層建筑等，以減小橋面或屋面構件的跨度并降低這類構件的彎曲內力。懸索結構剛度小，采用加筋或雙層結構能提高其剛度。膜結構起源上世紀中期，工程實踐中得到應用的膜結構主要包括氣膜結構、張拉膜結構等;氣膜結構主要承受自重和外部荷載，承載能力來自于膜面內外空氣壓力差;張拉膜結構中的柔性鋼索承受拉力，保持結構的穩定性。

二、建筑材料的力學特性及其應用

建筑材料的種類繁多，分類依據主要有結構性的、功能性的以及專用的幾類，其中結構材料在建筑結構中占有決定性的地位，主要應用于各類建筑結構中承受各種形式的荷載作用，確保建筑結構的施工及使用安全性，這類材料具有強度高、耐久性好、環境適應性好的特點。主要包括鋼材、混凝土、木材、竹材、石材、復合材料、膜材等。

根據《材料力學》的知識，對于所有材料，材料的強度和剛度必須關注，然而，對于不同材料，關注的內容又有所不同。對于鋼筋這類塑性材料，關注的重點是材料的屈服強度;而對于石材這類脆性材料，關注的重點是材料的抗拉強度;而對于復合材料，關注的力學特性參量又有所不同。

建筑用鋼材包括鋼結構用和鋼筋混凝土用兩類，結構用鋼材主要為普通低碳鋼和合金鋼，鋼筋混凝土用鋼材相對于結構用鋼，多了一道冷拔加工工序。對于普通低碳鋼，由其拉伸力學特性知道，材料的屈服強度是材料是否發生塑性形變的分界線，材料在設計時所依據的準則也是以屈服強度為準;而采用冷拔工藝加工的鋼材，材料的屈服強度會得到顯著提高，此時材料的塑性變形能力被大大減弱。鋼筋混凝土結構中的鋼材由于更關注材料的更大的屈服強度而不關注其塑性特性，所以采用冷拔鋼材。由于使用環境的影響，鋼筋銹蝕不可避免，研究表明銹蝕后材料的屈服強度和彈性模量都有一定程度的降低。

混凝土是一種復合材料，由水泥等膠凝材料與砂、石等骨料經過充分攪拌形成，這類材料具有良好的可塑性和耐腐蝕性。混凝土硬化后其抗壓強度、軸向抗拉強度、彎曲抗拉強度、劈裂抗拉強度等是其最重要的力學特性參數，此外，衡量彈性變形的彈性模量、持久荷載作用下的松弛效應等也是其廣受關注的力學特性。

木材是一種歷史悠久的建筑材料，由于其具有拉伸強度和彎曲強度高、彎曲模量大等優異的力學性能，且具有易加工、容易從自然界獲得等特點，在我國以及世界的建筑史上占有重要地位。日本2016年公布的各省廳公共建筑木材使用量較2015年增加了58.8%，而計劃于2019年竣工的世界上最高的木建

筑（35層樓高）是Michael綠色建筑公司為巴黎設計的Baobab建筑。

竹材是我國特有的一種綠色環保的建筑結構材料，被認為自然界中效能最高的材料，具有非常優異的力學性能，其抗拉強度是木材的大約2倍左右，抗壓強度是木材的約1.5倍，且高于普通鋼材的強度。竹材是一種纖維材料，其良好的力學特性主要是沿著纖維軸向的，包括順紋抗拉、抗壓強度和彈性模量、抗剪強度等。由竹材制備的膠合板、層壓板、復合板等適合用于建筑結構中的梁、板、柱、墻體等結構構件

石材主要分為天然石材與人造石材兩類，其耐火性與耐久性能好，常用于構造重要的或具有紀念意義的建筑物。吸水率低的石材的抗壓強度較高，易于加工，被廣泛用于砌體結構，也是古老建筑結構的重要材料之一。

復合材料是由兩種或兩種以上的材料根據功能要求復合而成的材料，建筑結構上使用的復合材料種類較多，如鋼筋混凝土材料、夾心墻板等，而鋼筋混凝土材料用于制造主要的承力結構。復合材料在正常使用荷載以及地震、火災等特殊環境下的強度、剛度、韌性等力學特性參數是重要的評價指標。

膜材主要采用高分子聚合物，其在自然環境的日照、雨淋以及溫度等影響下，會出現物理化學性能的退化，從而其力學性能也會發生顯著變化。衡量膜材力學特性的基本強度指標包括膜材的抗拉強度及斷裂伸長率、撕裂強度以及膜片與膜片的連接強度等;膜材料的彈性模量、剪切模量等與材料力學特性相關的材料常數也是研究關注的重點。

三、結語：

建筑結構與建筑材料相互依存，各種形式的建筑結構需要建筑材料來制造和填充，而建筑材料需要依附于特定的建筑結構才能發揮其效用。建筑結構形式的創新和發展離不開材料科學技術的創新和發展，它們共同推動著建筑科學的不斷進步。

參考文獻：

[1]瀧口克已. 基本建筑結構力學[M]. 科學出版社， 2009.

[2]張偉平， 商登峰， 顧祥林. 銹蝕鋼筋力學性能研究現狀分析[J]. 工業建筑， 2005，?35（z1）：706-709.

[3]姜福田. 混凝土力學性能與測定[M]. 中國鐵道出版社， 1989.

[4]黎姣. 木材在中國當代建筑中的應用[D]. 同濟大學， 2008.

[5]單煒， 李玉順. 竹材在建筑結構中的應用前景分析[J]. 森林工程， 2008， 24（2）：64-67.

[6]張偉平， 商登峰， 顧祥林. 銹蝕鋼筋力學性能研究現狀分析[J]. 工業建筑， 2005， 35（z1）：706-709.

[7]李陽. 建筑膜材料和膜結構的力學性能研究與應用[D]. 同濟大學， 2007.

[8] https：//baike.baidu.com/