物理力學(xué)知識(shí)在建筑工程中的應(yīng)用

秦月華

摘?要：建筑力學(xué)的結(jié)構(gòu)部分是建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，主要包括彎矩的計(jì)算和破壞的定量原理等，物理力學(xué)知識(shí)在建筑工程中的應(yīng)用范圍及其廣泛，包括了建筑工程中的各個(gè)方面，因此研究物理力學(xué)知識(shí)在建筑工程中的應(yīng)用具有重要作用。本文筆者以基礎(chǔ)力學(xué)觀點(diǎn)和力學(xué)與建筑力學(xué)關(guān)系為基點(diǎn)，對(duì)建筑力學(xué)形成的主要任務(wù)和內(nèi)容進(jìn)行初步的分析與探討。

關(guān)鍵詞：物理力學(xué);建筑工程;應(yīng)用

力是物理學(xué)當(dāng)中一個(gè)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(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變，根據(jù)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(xué)是為建筑專業(yè)的學(xué)生所開設(shè)的一門具有理論性和實(shí)踐性的技術(shù)基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用力學(xué)的基礎(chǔ)建筑力學(xué)本原理，分析和研究其建筑結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在各種條件之下的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方面的能力。作為一名建筑師，我們要努力地學(xué)好力學(xué)各個(gè)方面的知識(shí)，為人類力學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)出我們自己的一份力量。

一、建筑工程中物理力學(xué)的范圍

建筑工程中涉及的物理力學(xué)知識(shí)眾多，主要是研究物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，建筑工程給物理力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用提出了更高的要求，物理力學(xué)的最新研究成果可以為建筑工程提供一些設(shè)計(jì)思路。

人類對(duì)于物理力學(xué)知識(shí)在建筑工程中的應(yīng)用可以追溯到很久遠(yuǎn)的時(shí)代，我國(guó)古代及古希臘的一些著作中，就已經(jīng)對(duì)物理力學(xué)在建筑工程中的應(yīng)用做了一些敘述，然而在過(guò)去的建筑工作中，主要還是憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行工程建設(shè)的。伽利略出版了世界上第一本有關(guān)材料力學(xué)的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》，但從其具體的內(nèi)容來(lái)看，對(duì)于建筑工程物理力學(xué)知識(shí)的應(yīng)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(nèi)部各點(diǎn)均應(yīng)成立的平衡及運(yùn)動(dòng)的一般方程式》，這被視作彈性理論的開端。早在我國(guó)公元前5世紀(jì)到4世紀(jì)，《墨經(jīng)》中就有對(duì)物體所受浮力與其排開液體體積之間關(guān)系的敘述。土木工程力學(xué)初步形成于20世紀(jì)初期，并且在40年代以后獲得了迅速的發(fā)展。在這一發(fā)展過(guò)程中，泰爾扎吉的作用不可忽視。19世紀(jì)到20世紀(jì)前葉，對(duì)建筑物梁的剛度和強(qiáng)度、變形和力、穩(wěn)定性、彈性模量的研究反映出了這時(shí)候力學(xué)知識(shí)研究對(duì)象的全面性，更傾向于從宏觀的角度，將實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，就物體的各種性質(zhì)展開深入的研究。正是因?yàn)橛辛?0世紀(jì)前葉物理學(xué)的快速發(fā)展，并以現(xiàn)代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，理性力學(xué)這門新的學(xué)科出現(xiàn)了。隨著結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，建筑工程學(xué)家聯(lián)同數(shù)學(xué)家和力學(xué)家們對(duì)工程力學(xué)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。固體力學(xué)包含材料、結(jié)構(gòu)、彈性、塑形、復(fù)合材料等方面，其中，材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)在建筑工程上的應(yīng)用非常廣泛，于是很多人把這三個(gè)門類統(tǒng)稱為建筑力學(xué)，這也就充分表明了，這是一門主要應(yīng)用于物理力學(xué)中的一般原理來(lái)對(duì)其自身作用在各種建筑物上的影響進(jìn)行研究的學(xué)問(wèn)。

物理力學(xué)在建筑工程技術(shù)方面的應(yīng)用促使各種工程力學(xué)或者應(yīng)用分支出現(xiàn)，建筑力學(xué)是一門基礎(chǔ)性科學(xué)，又是一門應(yīng)用型科學(xué)，在工程中的應(yīng)用以及與社會(huì)各行業(yè)的結(jié)合是非常密切的。與力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科也有很多，主要包括數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理、天文、自然科學(xué)等，而與力學(xué)相關(guān)的工程學(xué)科有土木、機(jī)械、交通、能源、化工等。伴隨著社會(huì)各行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，科技技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步，使得力學(xué)在其中的作用越來(lái)越突出，甚至有的時(shí)候會(huì)起到關(guān)鍵性的作用。因此，研究力學(xué)，學(xué)生就可以在未來(lái)從事與之相關(guān)的工作，從這一方面來(lái)講，力學(xué)專業(yè)的學(xué)生專業(yè)對(duì)口范圍廣泛，全社會(huì)對(duì)力學(xué)人才的需求也是非常大的。

二、基礎(chǔ)力學(xué)觀點(diǎn)

材料力學(xué)研究桿件與簡(jiǎn)單靜定桿件結(jié)構(gòu)，屬?gòu)椥苑秶鷥?nèi)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(jié)構(gòu)力學(xué)打基礎(chǔ)。推薦教材宋子康版材料力學(xué)。

結(jié)構(gòu)力學(xué)研究桿件結(jié)構(gòu)，分靜定與超靜定。也屬于彈性范圍內(nèi)的研究。靜定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)就能有關(guān)鍵點(diǎn)彎矩走向的判斷。靜定與超靜定的區(qū)別用心體會(huì)。

彈性力學(xué)主要研究板，屬于彈性范圍內(nèi)的研究。主要有兩個(gè)內(nèi)容，平面應(yīng)力問(wèn)題和平面應(yīng)變問(wèn)題。力的平衡（轉(zhuǎn)換為應(yīng)力），位移協(xié)調(diào)之間的橋梁即是應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，具體的就是胡克定律所推導(dǎo)出的彈性本構(gòu)關(guān)系。塑性力學(xué)是研究生學(xué)習(xí)內(nèi)容。主要研究塑性變形，即塑形變形后的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。掌握應(yīng)力張量、應(yīng)變張量。其他的定理稍加理解即可，因?yàn)橛玫米疃嗟氖菓?yīng)力張量、應(yīng)變張量以及不變量和破壞準(zhǔn)則。

三、基礎(chǔ)力學(xué)觀點(diǎn)在建筑工程中的應(yīng)用

（一）材料力學(xué)的應(yīng)用

首先我們必須要明確材料力學(xué)的含義，研究材料力學(xué)的應(yīng)用就是探討作用力對(duì)物體形狀的改變，研究杠桿的拉伸、壓彎、扭曲、變形的特點(diǎn)，然后對(duì)物體在變化過(guò)程中的強(qiáng)度和剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算。因此我們研究材料力學(xué)在建筑工程中的應(yīng)用主要就是為了獲得材料在外力作用下形成的一般規(guī)律，能夠支撐分析和計(jì)算的各種理論條件，最后基于對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性問(wèn)題的解決得出結(jié)果，以調(diào)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性與其獲得的經(jīng)濟(jì)效益的矛盾。

材料力學(xué)的主要研究對(duì)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(huì)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(zhuǎn)、彎曲四種形式，在實(shí)際建筑工程中的杠件，本質(zhì)上可以看出是上述四種基本變形的組合形態(tài)，那么我們就要重點(diǎn)研究組合變形在建筑工程中的應(yīng)用。首要問(wèn)題是把握有關(guān)組合變形強(qiáng)度的計(jì)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(jiǎn)化成為符合基本變性外力作用條件的效力系;根據(jù)基本變形確定橫截面內(nèi)力、位置和分量;對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)的硬力狀態(tài)進(jìn)行分析，選擇合適的理論提供強(qiáng)度條件，然后開始計(jì)算。在材料力學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐中，壓桿穩(wěn)定是必須要提高重視的課題。當(dāng)建筑物中細(xì)長(zhǎng)的受壓桿因?yàn)槌惺艹銎涑惺苣芰Φ膲毫r(shí)，會(huì)因?yàn)橥蝗坏膹澢黄茐模环Q作是失穩(wěn)現(xiàn)象，這也這也是施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，甚至使整個(gè)建筑物倒塌。在很多建筑工程意外事故中，有相當(dāng)一部分是因?yàn)閴簵U失穩(wěn)而導(dǎo)致的，那么就要考慮如何提高腰桿的穩(wěn)定性，可以從合理選用截面形狀、縮小壓桿長(zhǎng)度、改變壓桿兩端約束、合理選擇壓桿材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。