材料力学论文

材料力学在生活建筑学的运用

摘要：近年来随着建筑高度的不断增加,建筑类型与功能愈来愈复杂,结构体系更加多样化,高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的重点和难点之所在。现就高层建筑结构的设计要点谈谈材料力学在建筑学中的应用。

关键词：高层建筑；材料力学；结构体系；结构分析

一：材料力学知识简介与生活中的运用

材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。材料力学是所有工科学生必修的学科，是设计工业设施必须掌握的知识。学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。

研究材料在外力作用下破坏的规律；

为受力构件提供强度，刚度和稳定性计算的理论基础条件；

解决结构设计安全可靠与经济合理的材料力学基本假设；

人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中，需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究，这就催生了材料力学。运用材料力学知识可以分析材料的强度、刚度和稳定性。材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量，优化机构设计，以达到降低成本、减轻重量等目的。在材料力学中，将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性体。但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料，所以需要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。材料在机构中会受到拉伸或压缩、弯曲、剪切、扭转及其组合等变形。根据胡克定律，在弹性限度内，物体的应力与应变成线性关系。

材料力学是现代科学科学技术迅速发展的理论事实基础，20世纪以前推动近代科学技术与社会进步的工具。蒸汽机、内燃机、铁路、桥梁、船舶、兵器等都是材料力学知识的累积应用和完善的基础上逐渐形成和发展起来的。

20世纪产生的诸多高新技术，如高层建筑，大型桥梁海洋石油钻井平台，精密仪器，航空航天器材，机器人，高速列车以及大型水利工程等许多的重要工程更是在材料力学指导下得以实现并不断发展完善的。

20世纪产生的另一些高新技术，如核反应堆工程、电子工程、计算机工程学。虽然是在其它基础学科指导下产生和发展起来的，但对材料力学都提出了各式各样的，大大小小的问题。材料力学知识的广泛运用，使生活中各行业得到迅速发展。如冶金行业、物料运输行业、珠宝鉴定行业、工程设计行业、科研行业、技术研究与开发行业、交通质量安全检测行业等多个领域，材料力学知识的广泛运用，使现实世界发展迅速并使各个行业得到提升。尤其是在生活建筑学方面得到了广泛地运用和发展，并得到了人们的深刻认识和体会。人们逐渐认识到材料力学知识在生活中的重要性。材料力学在生活建筑学的运用就是一个很好地体现。下面就仔细谈谈材料力学在生活建筑学的运用和对人们日常生活的影响。

二：生活中高层建筑的结构设计特点

结构内力与变形

随着建筑物高度的增加,水平荷载作用下的结构侧向变形迅速增大,结构顶点侧移与建筑物高度的四次方成正比。所以对于高层建筑,结构侧移已成为设计中的关键因素,这是因为:

高层建筑的使用功能和安全与结构侧移的大小密切相关。结构在阵风作用下的振动加速度超过0.015g时,就会影响楼房内使用人员的正常工作与生活,而振动加速度的大小与侧移幅值的大小有关。

过大的侧向变形会使高层建筑的隔墙、围护墙以及饰面材料开裂或损坏。

高楼的重心位置较高,过大的侧移会使P-△效应产生较大的附加应力,甚至因侧移与应力的恶性循环而导致建筑物破坏。由此可见,在高层建筑结构设计时,不仅要求结构具有足够的强度,还要求结构具有足够的抗拉刚度,使结构在水平、荷载作用下产生的侧移被控制在要求的限度之内。在高层建筑中,由于层数多、荷载大,柱的轴向变形也大,而在各柱间产生差异轴向变形,将使梁中的弯矩增大,因此在结构分析时必须考虑柱的轴向变形,这也是与一般建筑结构分析的不同之处。

高层建筑结构的刚性与柔性

多层和高层建筑结构都要抵抗竖向及水平荷载作用,但是在高层建筑中,要使用更多的材料来抵抗水平作用,抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。在地震区,地震作用对高层建筑的威胁更大,地震灾害将会给人民的生命财产造成巨大损失,所以抗震设计必须更加重视。

在高层建筑结构抗震理论和设计方法的发展过程中,存在着结构刚与柔的争议,有的认为结构柔性一些好,因为从抗震规范规定的地震反应谱曲线可以清楚地看出,场地确定后,结构愈柔性,自振周期愈长,地震影响系数α越小,结构所受到的地震作用就愈小,因此在结构抗震设计时,可将结构设计得柔性一些,以减小作用于结构上的地震力,从而可以用较少的材料,抗御较强的地震,既合理又经济。但有的则认为地震区的高层建筑结构应该刚性一些,使结构具有较大的承载能力,可以抵抗较强的地震,而且非结构部件的连接构造简单,又不易破坏。从过去的地震经验也可以看出,对于一般构造的高层建筑结构,刚性比柔性好,刚性结构破坏较轻,而且由于地震时的结构变形小,隔墙、围护墙及装饰等非结构部件将得到保护,破坏也会减轻。对于柔性结构,由于地震时将产生较大的层间侧移,不但主体结构破坏较重,非结构部件也将大量遭到破坏,造成很大经济损失,甚至有时还会危及人身安全,所以高层建筑结构应采用刚度较大的抗。

三：生活中高层建筑的结构体系

剪力墙体系

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力均匀,整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系,能建高度大于框架或框架—剪力墙体系。

2.框架—剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架—剪力墙体系。在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。框架—剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架—剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

3.简体体系

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系,包括单简体、简体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

四：生活中高层建筑结构设计经常注意的问题(从材料力学知识方面考虑)

结构的规则性问题

新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动,新规范在这方面增添了相当多的限制条件,例如:平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,而且,新规范采用强制性条文明确规定“建筑