物理力學知識在建筑工程中的應用

秦月華

摘?要：建筑力學的結構部分是建筑結構的基礎，主要包括彎矩的計算和破壞的定量原理等，物理力學知識在建筑工程中的應用范圍及其廣泛，包括了建筑工程中的各個方面，因此研究物理力學知識在建筑工程中的應用具有重要作用。本文筆者以基礎力學觀點和力學與建筑力學關系為基點，對建筑力學形成的主要任務和內容進行初步的分析與探討。

關鍵詞：物理力學;建筑工程;應用

力是物理學當中一個非常重要的概念，它是指物體之間相互的作用。力的范圍包括物體的形變和運動形態的改變，根據其受力的情況可以分為受力物體以及施力的物體。建筑力學是為建筑專業的學生所開設的一門具有理論性和實踐性的技術基礎課程，旨在培養學生應用力學的基礎建筑力學本原理，分析和研究其建筑結構及其構件在各種條件之下的剛度、強度、穩定性等方面的能力。作為一名建筑師，我們要努力地學好力學各個方面的知識，為人類力學的發展貢獻出我們自己的一份力量。

一、建筑工程中物理力學的范圍

建筑工程中涉及的物理力學知識眾多，主要是研究物質宏觀運動規律及其應用，建筑工程給物理力學的實際應用提出了更高的要求，物理力學的最新研究成果可以為建筑工程提供一些設計思路。

人類對于物理力學知識在建筑工程中的應用可以追溯到很久遠的時代，我國古代及古希臘的一些著作中，就已經對物理力學在建筑工程中的應用做了一些敘述，然而在過去的建筑工作中，主要還是憑借經驗來進行工程建設的。伽利略出版了世界上第一本有關材料力學的著作《關于兩門新科學的談話和數學證明》，但從其具體的內容來看，對于建筑工程物理力學知識的應用這方面的研究依舊不成熟。而后納維宣讀了《在一物體的表面及其內部各點均應成立的平衡及運動的一般方程式》，這被視作彈性理論的開端。早在我國公元前5世紀到4世紀，《墨經》中就有對物體所受浮力與其排開液體體積之間關系的敘述。土木工程力學初步形成于20世紀初期，并且在40年代以后獲得了迅速的發展。在這一發展過程中，泰爾扎吉的作用不可忽視。19世紀到20世紀前葉，對建筑物梁的剛度和強度、變形和力、穩定性、彈性模量的研究反映出了這時候力學知識研究對象的全面性，更傾向于從宏觀的角度，將實驗與理論相結合，就物體的各種性質展開深入的研究。正是因為有了20世紀前葉物理學的快速發展，并以現代數學為基礎，理性力學這門新的學科出現了。隨著結構工程技術的不斷進步，建筑工程學家聯同數學家和力學家們對工程力學的發展做出了突出的貢獻。固體力學包含材料、結構、彈性、塑形、復合材料等方面，其中，材料力學、結構力學和彈性力學在建筑工程上的應用非常廣泛，于是很多人把這三個門類統稱為建筑力學，這也就充分表明了，這是一門主要應用于物理力學中的一般原理來對其自身作用在各種建筑物上的影響進行研究的學問。

物理力學在建筑工程技術方面的應用促使各種工程力學或者應用分支出現，建筑力學是一門基礎性科學，又是一門應用型科學，在工程中的應用以及與社會各行業的結合是非常密切的。與力學相關的基礎學科也有很多，主要包括數學、化學、物理、天文、自然科學等，而與力學相關的工程學科有土木、機械、交通、能源、化工等。伴隨著社會各行業的發展，我國國民經濟水平不斷提高，科技技術也取得了較大的進步，使得力學在其中的作用越來越突出，甚至有的時候會起到關鍵性的作用。因此，研究力學，學生就可以在未來從事與之相關的工作，從這一方面來講，力學專業的學生專業對口范圍廣泛，全社會對力學人才的需求也是非常大的。

二、基礎力學觀點

材料力學研究桿件與簡單靜定桿件結構，屬彈性范圍內的研究。拉壓彎剪扭一定要精通。剪力圖、彎矩圖隨手就能畫。基本假定要熟悉，為結構力學打基礎。推薦教材宋子康版材料力學。

結構力學研究桿件結構，分靜定與超靜定。也屬于彈性范圍內的研究。靜定結構的彎矩圖不提了，這是基本功底。超靜定力法，位移法牢記在心。重在理解，其中位移法注重定性分析，拿到結構就能有關鍵點彎矩走向的判斷。靜定與超靜定的區別用心體會。

彈性力學主要研究板，屬于彈性范圍內的研究。主要有兩個內容，平面應力問題和平面應變問題。力的平衡（轉換為應力），位移協調之間的橋梁即是應力應變本構關系，具體的就是胡克定律所推導出的彈性本構關系。塑性力學是研究生學習內容。主要研究塑性變形，即塑形變形后的應力應變本構關系。掌握應力張量、應變張量。其他的定理稍加理解即可，因為用得最多的是應力張量、應變張量以及不變量和破壞準則。

三、基礎力學觀點在建筑工程中的應用

（一）材料力學的應用

首先我們必須要明確材料力學的含義，研究材料力學的應用就是探討作用力對物體形狀的改變，研究杠桿的拉伸、壓彎、扭曲、變形的特點，然后對物體在變化過程中的強度和剛度及穩定性進行分析和計算。因此我們研究材料力學在建筑工程中的應用主要就是為了獲得材料在外力作用下形成的一般規律，能夠支撐分析和計算的各種理論條件，最后基于對建筑結構設計的安全性和可靠性問題的解決得出結果，以調和建筑結構設計安全性與其獲得的經濟效益的矛盾。

材料力學的主要研究對象為杠桿，所謂杠桿就是指建筑物中的各種梁、柱、桿等。杠桿受力會有各種情況，因此其變形式就有許多種，主要有拉伸或壓縮、剪切、扭轉、彎曲四種形式，在實際建筑工程中的杠件，本質上可以看出是上述四種基本變形的組合形態，那么我們就要重點研究組合變形在建筑工程中的應用。首要問題是把握有關組合變形強度的計算方法。具體方法主要是將影響物體變形的各種外力分解或者簡化成為符合基本變性外力作用條件的效力系;根據基本變形確定橫截面內力、位置和分量;對危險點的硬力狀態進行分析，選擇合適的理論提供強度條件，然后開始計算。在材料力學的應用實踐中，壓桿穩定是必須要提高重視的課題。當建筑物中細長的受壓桿因為承受超出其承受能力的壓力時，會因為突然的彎曲而被破壞，被稱作是失穩現象，這也這也是施工過程中經常出現的問題，會導致非常嚴重的后果，甚至使整個建筑物倒塌。在很多建筑工程意外事故中，有相當一部分是因為壓桿失穩而導致的，那么就要考慮如何提高腰桿的穩定性，可以從合理選用截面形狀、縮小壓桿長度、改變壓桿兩端約束、合理選擇壓桿材料來實現。