基本物理学原理在建筑工程中的应用

基本物理学原理在建筑工程中的应用

物理学是一门基础学科，他的原理及应用渗透在我们工作的方方面面，如果对这些原理理解不透彻，会让我们在很多问题上陷入迷茫。在建筑工程施工技术中，许多看似非常复杂的问题背后，隐藏的仅仅是一个简单的物理学原理。但往往因为我们学习这些原理的时间过长，在思想意识中已经淡化，经常会因为忽视它们，造成工作失误。本文将一些常见的施工中遇到的原理结合工程实际加以说明，希望引起施工管理人员的重视。

关键词：物理学原理阿基米德原理牛顿第三定律热胀冷缩

一、阿基米德原理

阿基米德原理是一条基本的物理学原理，它的表述是：浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力。用公式表示：F浮=G排液=m排液g=ρ液V排液g

F浮——浮力，

ρ液——液体的密度，

V排液——排开液体的体积。

在应用阿基米德原理时应注意：

(1)施力物体——静止的液体，受力物体——浸在液体中的物体。

(2)浮力的大小只与液体的密度和物体排开液体的体积有关。而与物体的密度及物体所在的深度无关。

(3)此原理不仅适用于静止的液体，也适用于静止的气体和现浇混凝土。

（4）物体浮沉的条件：

浮力F与物体重量G的关系物体浮沉情况

F＞G 上浮

F＜G 下沉

F＝G 可停留在液体里任何深度的地方

阿基米德原理是初中的物理知识，但是这个原理在建筑施工中的应用是非常广泛的。

随着设计技术的发展，混凝土结构的大空间结构逐渐增多，一些大空间的钢筋混凝土楼板经常通过采用埋设管道的方法来减轻自重，即做成现浇混凝土空心楼盖。这些空心楼盖中的管道，无论其材质是钢材、混凝土还是塑料，由于管道是空心的，排开的混凝土的体积都是其截面积乘以长度。

如某厂生产的GBF管，直径250mm的壁厚25mm，重13kg/m（相当于0.127kN/m），而其埋设在现浇混凝土中，排开的混凝土的体积却是3.14×0.252/4×1=0.049m3，此时，以现浇混凝土为液体，空心管受到的现浇混凝土的浮力是0.049×24=1.176kN，浮力大于空心管的自重，埋设在现浇混凝土中的GBF管下混凝土浇筑过程中将产生上浮。因此，这类管道在混凝土浇筑时，应采取相应的防止管道上浮的措施，并且措施中应该包括对浮力和抗浮力的计算。

此外，阿基米德原理还广泛应用在地下结构的抗浮设计方面。有些建筑结构位于地下水位以下，设计往往要求结构必须施工到一定层数，才能停止降水，就是因为地下室排开的水的重量大于建筑结构自重时，停止降水导致地下水位上升会造成地下室上浮。

二、牛顿第三定律

牛顿第三定律也是一条基本的物理学原理，它的表述是：物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

在建筑施工的实际中，我们经常犯的错误是，已经知道了力的大小，但是忽略了受力物体的强度。比如试图采用单桩承受水平推力，只注意到了（混凝土或钢）桩的强度很大，自身承载能力没有问题，忽略了桩身还要将水平荷载传递给土体，而土体的强度往往不能满足要求。一旦土体破坏，就要造成桩的倾斜而失去承载能力。

尽管目前还没有听说由于水平承载桩后土体破坏造成的工程事故，但如果对此不加警醒，一旦发生事故后果非常严重。

三、热胀冷缩

物体受热时膨胀，冷却时收缩的现象叫做热胀冷缩。在建筑工程中，我们经常打交道的原理是固体的线膨胀和体膨胀。

固体的线膨胀公式：

ll=l0(1+αt)

式中：α=（lt-l0）/l0t称为线胀系数，它表示由于温度升高1℃所引起的线度

的增长与它在0℃时的线度的比。线胀系数的的单位是1/℃。

固体的体膨胀公式：

Vt=V0（1+βt）

式中：β=（Vt-V0）/V0t称为体胀系数，它表示由于温度升高1℃所引起的体积的增大与它在0℃时的体积的比。体胀系数的的单位是1/℃。对于固体，体胀系数近似等于线胀系数的3倍，即β≈3α。

对于常用的建筑材料——混凝土而言，其线胀系数一般为1.0×10-5/℃，对于一个30m长的混凝土构件，温度升降1℃而引起的深长或者缩短为1.0×10-5×1×30000=0.3mm，如果混凝土的深长或缩短受到约束，混凝土就会产生裂缝。在特定的条件下，混凝土还可能产生体积的膨胀和收缩。

我曾经处理过一个工程问题，一道长度大约30m的混凝土地基梁，截面尺寸500×1500（宽×高），混凝土浇筑完毕后约30个小时拆除侧模板，72小时左右发现地梁混凝土表面出现裂缝。后来经计算证明，混凝土模板拆除过早，地梁混凝土内外温差过大是导致裂缝的主要原因。其实，工人是不懂热胀冷缩在混凝土工程中的作用的，但是管理人员的熟视无睹和对物理学原理的漠视才是问题出现的根本原因。

四、静摩擦力与滑动摩擦力

两个相互接触的物体，在外力作用下，有相对运动的趋势而又保持相对静止时，接触面之间产生的摩擦力叫做静摩擦力。静摩擦力所能达到的最大值叫做最大静摩擦力。

当一个物体在另一个物体表面上做相对滑动时，受到另一个物体阻碍它滑动的力，叫做滑动摩擦力。

摩擦力和物体间的正压力之间的比值称为摩擦系数。对同样的两种材料来说，滑动摩擦系数比静摩擦系数稍小一些。图一是某桩基施工时监测得到的桩的摩阻力的记录曲线。我们可以明显看到在接桩后，桩的摩阻力会增大，然后又降低，有许多论文在研究这一现象。其实，在物理学上这是一个早有的结论—滑动摩擦力比静摩擦力稍小。接桩完成后，首先要克服最大静摩擦力，然后克服滑动摩擦力，所以精密的监测仪器记录下了图一的曲线。这也从另一个方面证明了物理学原理在建筑施工技术上有着广泛的应用。

图一

五结论

尽管本文对以上物理原理的解释和应用还是概念性比较强，但是从上面的几个例子可以看出，对于从事建筑施工的工程技术人员而言，学习掌握和深刻理解物理学原理，对工程施工的顺利进行和施工质量的保证和提高是具有积极意义的。

参考文献

《普通物理学》程守洙高等教育出版社1982年修订本

《建筑施工手册》（第四版）《建筑施工手册》（第四版）编写组中国建筑工业出版社2003年9月

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。