現場施工技術人員應必知建筑力學基本常識

熊文祥

【摘要】建筑工程的安全和穩定是依據建筑力學原理，每一建筑工程從構思→設計→實施→使用都離不開建筑力學，建筑工程選型、選材、施工方法均需利用建筑力學原理，而建筑物的各構件和材料均需考慮有足夠的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭等各種強度性能指標，所以不僅需要建筑力學熟練的建筑結構設計，同樣也需要建筑力學熟練的現場施工技術人員指導建筑工人操作，從而確保施工過程順利、建造出安全可靠的建筑物。

【關鍵詞】結構安全；受拉區；受壓區；有效高度；彎矩；剪力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.085

隨著我國建筑業蓬勃發展，建筑科技化日益增強，人們工作生活的科技化依賴越來越多，現建筑力學計算以諸多結構設計軟件為代替（如PKPM等其它結構設計軟件），從此，也有少數建筑現場施工技術人員忽視建筑力學知識學習，認為建筑力學是設計者的技能。比如：本人一次施工現場檢查隱蔽工程，有一現場施工員問我：“你為什么每次檢查都得強調頂起并固定支座處的上層鋼筋，這上層鋼筋又不受力”，也見過有些小型工程或農房建筑出現懸臂板坍塌或梁、板僅支座處構件上方出現裂縫等，其實，這些都是施工中忽視了受拉區鋼筋位置，導致構件有效高度不足從而產生的缺陷；再比如，有些建筑物坍塌，不是設計缺陷，而是施工中不知建筑力學原理而導致。為此，本人認為，現場施工技術人員同樣需加強建筑結構力學學習，應該知道建筑物各構件受力原理。下面簡述一些建筑力學與建筑構件受力的最基本常識。

1、建筑力學簡介

眾所周知，建筑力學分結構力學和材料力學兩大類，結構力學又分為靜力學和動力學（動力學一般用于橋梁和承受振動力的廠房構件等承受振動的其它建筑物），靜力學又分為靜定結構和超靜定結構；靜定結構有三個約束組成就能使物體處于平衡狀態，如：簡支梁板、鉸接點安裝的構件、砌體柱墻等；而超靜定結構則需由三個以上約束組成才能使構件處于平衡，如：框架結構、連續梁板、固定節點安裝的構件等。材料力學即為材料本身承受能力的物理性能，如：砌體標號和混凝土標號，則分別為砌體、混凝土的抗壓強度；建筑物多數選用鋼筋混凝土作為承載構件，就是利用混凝土抗壓強度高，抗拉強度低，鋼筋抗拉抗壓強度均高，但鋼筋的抗壓截面小，成本高，所以受壓區利用混凝土抗壓，受拉區利用鋼筋抗拉，每種材料均有各自的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪等各種強度指標；由不同材料組成的構件同樣分別有構件的各自抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭強度，所以需合理配用。

2、一般構件受力形式

（1）樓板是承載人和物體的重量，以及自身重量而產生樓板彎矩和剪力，樓板分單向板和雙向板及懸臂板，單向板即為兩端支座承受或長寬比大于2的多邊支座板，三周邊以上有支座則為雙向板；單向板有簡支單向板和連續單向板，簡支單向板只有支座間一個方向的正彎矩和剪力，連續單向板則有各跨支座間正彎矩、剪力和中支座上方的負彎矩；雙向板也分單跨雙向板和連續雙向板，單跨雙向板有縱橫支座間向正彎矩和剪力，連續雙向板則有各跨支座間縱橫方向正彎矩、剪力和中各支座上方的負彎矩（如板外邊緣為固定支座，則固定支座上方也會產生負彎矩）。

（2）獨立柱只承受梁板或架體傳來的垂直軸向壓力，如為整體柱，柱根部是固定連接，則柱既可承受垂直軸向壓力，柱根部還可承受彎矩和水平剪力；框架柱既承受梁板傳來的軸力，還需上部承受梁傳來的負彎矩，牽帶柱下部反向彎矩，上下均有剪力發生。

（3）簡支梁即為單跨并兩端鉸節點的梁，簡支梁承受次梁和樓板傳來荷載及梁上部其它荷載（如砌體墻等），以及自身重量而產生梁的正彎矩和剪力。

（4）連續梁、框架梁承受荷載基本同簡支梁，受力后會發生梁跨內正彎矩和支座上方負彎矩以及梁剪力。

（5）懸臂梁板為一端固定支座，另一端為自由端，懸臂梁、板只承受負彎矩和剪力，即上部受拉下部受壓，懸臂構件根部彎矩、剪力最大，集中荷載作用點至固定支座段剪力一樣大。

（6）如梁上挑出的垂直懸臂梁板，則垂直懸臂梁板的縱向梁還會產生扭矩。

（7）桁架或網架總體可承受彎矩和剪力，如桁架或網架為節點直接承受荷載，則桁架或網架的各桿件只分別承受拉、壓軸力及桿件自重的彎矩剪力。

3、常見的建筑力學在施工現場的應用

（1）現場施工平面布置與周邊環境關系和距離的合理安排；

（2）施工進度先后的合理安排；

（3）地基持力層的選定；

（4）混凝土澆筑施工縫的留設位置、留設形式；

（5）砌體的抗壓、抗傾覆驗算；

（6）基坑壁的圍護設置；

（7）樓板面受其它支撐承載力的驗算；

（8）施工機械的安裝及吊裝驗算；

（9）模板支撐及拉桿的設置；

（10）腳手架支撐及拉桿的設置，挑架及上料平臺的設置；

（11）在漏設方案時的現場應急布設；

（12）模板、腳手架、支撐、圍護及選材等方案設計。

4、常見的施工現場與建筑力學相關出現的質量安全問題及簡單分析

（1）地基的承載力不足上部荷載的承受能力，會使建筑物產生傾斜、裂縫、甚至倒塌。

（2）懸臂梁或板錯放鋼筋位置或上層鋼筋下沉不足有效高度，導致懸臂構件上部開裂或坍塌倒掛。

（3）連續板支座上部鋼筋踩沉或少放，板面平行沿梁或墻裂縫，導致樓板跨中彎曲；樓板除邊跨邊鉸節點支座外，一般支座上均產生較大負彎矩，鋼筋下沉就表示構件該部位有效高度不滿足。

（4）連續梁或框架梁支座上部鋼筋少放或綁扎低（綁扎低屬有效高度不足），梁支座上部發生裂縫，導致梁跨中彎曲，原因同連續板；兩端上下貫通斜裂縫，裂縫方向上部比下部離支座遠些，這屬梁抗剪不滿足，鋼砼梁抗剪三要素為截面、箍筋、彎起鋼筋。

（5）雙向板四角上部鋼筋踩沉或少放，樓板角上表面容易出現與縱橫軸線成三角形斜角縫，因為雙向板四角的負彎矩較大，所以設計一般會在雙向板四角增布加強鋼筋。

（6）砼澆筑施工縫裂縫或砼構件表面龜裂縫屬溫差引起的裂縫，或施工縫位置設置不正的構件拉力引起裂縫，溫差裂縫屬材料力學內知識，是因為砼的抗拉力低于砼熱脹冷縮或干濕收縮力導致，所以需合理設置伸縮縫位置和合理砼養護，盡量減少砼的拉應力。

（7）鋼結構構件水平桿件坍塌屬受壓區鋼材截面薄弱或有效高度不足，鋼桿件斷裂屬受拉區鋼材截面薄弱或接口抗拉能力不足；垂直桿件坍塌屬桿件截面積偏小或桿件長細比不足產生坍塌。

（8）桁架坍塌屬受壓桿件截面偏小，下懸斷裂屬受拉桿件薄弱或桿件接口抗拉不足，或桁架間相互水平桿或斜桿連接不牢固。

（9）木梁彎曲或斷裂則為木材品種或截面大小或截面方向不合理，木材品種及截面方向均對抗彎抗剪有著不同的效果。

（10）模板支撐坍塌，主要是因為澆筑砼自重和施工荷載大于支撐立桿承載力，致使立桿失穩，還有澆筑時必能會產生水平力，其支撐拉桿或剪刀桿設置不合理，也會產生支撐體系失穩。

（11）澆筑砼爆模、模板楞或拼模肋彎曲或斷裂均屬澆筑砼向外側壓力大于模板楞或拼模肋的承載力。

（12）腳手架坍塌一般有架體與建筑物連接不牢固，剪刀斜撐設置不合理，架體承受荷載超重而導致；挑架坍塌一般有下部挑梁承受的荷載超過挑梁承受能力或挑梁尾端抗傾覆連接件不牢固，還有與建筑物連接不牢固，剪刀斜撐設置不合理，架體荷載超重均能導致；上料平臺坍塌有架體承受荷載超重，斜拉桿連接不牢固，下部抗壓水平桿連接不牢固或桿件偏小所導致。

（13）現場施工吊機（塔吊、垂直運輸機）傾覆、倒塌、斷臂。其中塔吊傾覆有兩種原因，一是塔吊的基礎承載力不能滿足產生不均勻沉降并與建筑物連接桿不牢固，此傾覆為塔吊架體根部；二是塔吊架體不能滿足吊裝物體重量力矩需要，此傾覆應是在架體垂直段的薄弱環節；斷臂屬于塔吊吊裝物體重量對塔吊架臂作用點的力矩超出架臂的承載力或超出架臂斜拉桿承受的拉力。垂直運輸機倒塌一般為基礎的承載力不足和架體的纜風斜向拉力不滿足或架體與建筑物連接點不牢固。

（14）基坑護壁、擋土墻的傾覆，均是坑壁土傾覆力矩大樣坑壁圍護抵抗力矩，坑壁土傾覆力矩需運用到土力學和結構理論力學原理，各種土及土的含水率力學指標均不一樣。

5、現場施工應知建筑力學基本常識

（1）建筑力學中的軸力、拉力、壓力、彎矩、剪力、扭矩各自意思和發生形式；

（2）各受彎構件的受拉區、受壓區各自位置及分別面積，有效高度位置及高度；

（3）桿件架體三角形布設穩定，平行四邊形布設不穩定；

（4）受彎構件截面短向面垂直受力方向的截面布設抗彎效果更佳，懂得在允許范圍內，受彎構件的抗壓截面中心和受拉截面中心分別對向遠離本構件中性軸抗彎效果更佳；

（5）簡支梁使用“T”形截面、固定節點支座的梁和柱使用“工”字截面既能滿足受力要求又能節約材料減少自重的效果；

（6）桁架、網架各桿件在荷載作用下的受力形式；

（7）鋼砼構件內有效高度不滿足，會使構件抗彎能力減弱。

（8）構件正負彎矩、剪力、扭矩各自發生形式，最大彎矩和最大剪力及扭矩各自容易發生位置；

（9）一般集中荷載比均布荷載作用彎矩大，比如：懸臂構件集中荷載作用的彎矩M=-pl，均布荷載彎矩M=-gl2/2；簡支梁集中荷載的彎矩M=pl，均布荷載作用的彎矩M=ql2/8。

（10）一般支座負彎矩會大于跨中正彎矩，所以控制負彎矩受拉件位置必須注重，比如：一根兩等跨梁分別跨中心作用一個相同集中荷載的正彎矩M=0.156pl、負彎矩M=-0.188pl；兩等跨梁分別作用均衡均布荷載的正彎矩M=0.07ql2、負彎矩M=-0.125ql2；一根三等跨梁分別跨中心作用一個相同集中荷載的正彎矩 M邊=0.175pl、M中=0.1pl、負彎矩M=-0.15pl，三等跨梁分別作用均衡均布荷載的正彎矩M邊=0.08ql2、M中=0.025ql2、負彎矩M=-0.1ql2（以上系數式“-”表示負彎矩，p表示集中荷載、q表示均布荷載、l表示跨度長）。

（11）嚴格控制鄰近深淺基坑施工順序和深淺基礎間距，必須執行施工規范要求先施工深基坑，待深基坑內建筑構件施工完回填土后方可施工淺基坑上建筑物，否則容易出現淺基坑的泥漿水滲入深基坑，從而降低淺基坑靠深基坑邊地基土層或基坑高低坑壁破壞，導致淺基坑建筑物地基持力層降低產生建筑物傾覆坍塌。

結語：

建筑力學在建筑工程運用廣泛，從結構設計至建筑施工整個過程均離不開建筑力學知識，任一環節建筑力學運用不當，則會導致人民生命安全和國家財產遭受重大損失。有了合理的結構設計，還得有合理的現場實施，因此，現場施工技術人員須心知建筑力學在建筑工程的重要性，需加強建筑力學學習，豐富建筑結構力學知識，現場需分別控制好建筑構配件的受拉區、受壓區、有效高度均滿足設計要求，確保構件有足夠的抵抗彎矩、剪力、扭矩發生強度，注重各建筑材料的各自物理指標和適用范圍，熟悉施工規范，切實全面考慮組織施工，確保建筑施工過程順利，施工出的建筑產品安全可靠。

參考文獻：

[1]王玉.淺析建筑力學在建筑工程中的應用[J].現代職業教育，2017年33期.

[2]國振喜，張樹義主編.實用建筑結構靜力計算手冊.機械工業出版社，2009.1：319-322.