力学在建筑工程中的应用

力学在建筑工程中的应用

——之我谈

从遥远的古石器时代到而今日益发达的社会，力学总是和人类的发展与进步息息相关。人类在远古时代就开始制造各种器物，如弓箭、房屋、舟楫以及乐器等，这些都是简单的结构。随着社会的进步，人们对于结构设计的规律以及结构的强度和刚度逐渐有了认识，并且积累了经验，这表现在古代建筑的辉煌成就中，如埃及的金字塔，中国的万里长城、赵州安济桥、北京故宫等等。尽管在这些结构中隐含有力学的知识，但并没有形成一门学科。

随着人类的进步发展，人们逐渐从这些结构

和实践中总结经验，发展成现代的力学理论与

方法。这些理论和方法几乎被应用到了没所有

的领域。

建筑的发展和力学是密不可分的，可以说没

有可靠的力学与结构分析就没有安全而又实用

的优秀建筑。尤其是对于现代建筑的意义更为重要，每一座好的建筑在建造前都要通过很多

次的实验验证与安全评估，否则将产生诸多不好

的后果，损失难以估计。

首先是建筑结构的合理性，如何在实际情况下

选取合适节省材料的结构方式完成工程很重要。

尤其要考虑到安全因素，从整体的静力分析到有

线单元的桁架与混泥土结构、再到外部环境因

素，如风载荷、地震波、特殊场地的特殊设计要求等，这些都是我们要关注的。

如左图的高层建筑物，这种违反防震规范的装饰性设计增加

了高层建筑物在地震发生时由于重心提高增加摇摆扭矩产生

巨大剪切力导致建筑物底部支撑柱疲劳断裂的可能性，严格

讲这是不允许的。又如

右图德阳一地震后的中

学四层教学楼，我们可

清楚地看出钢筋混泥土

支撑桁架在地震中保留下来后的残迹，这是

一种平行的简单桁架结构，根本抵不住地震

时产生的横向挤压力，导致间隙增大楼板脱

落倒塌。这说明我国很多建筑物在建

设结构时存在这许多不合理现象。这

应该是我们现代工程及建筑设计时

该思考的地方。

其次是建筑物材料的选取应得

当，这对建筑物质量和性能将产生本

质的影响。不同的材料有着不同的强

度、刚度、稳定性及疲劳破损等，在

工程应用中要通过各种计算和软件

及实验进行模拟，使材料在实际环境中安全正常的工作，如上图便是对房屋桁架的测试。如何用最少的材料建造最安全实用的房屋是有一套完整有序的过程的，通过对建筑结构模型的力学分析，如它的

抗弯能力、实用载荷大小、弹性性能、震

动要求等。尤其在一些大型桥梁建筑中使

用的钢结构梁和拉杆等，在长期的负载作

用下如何保持结构的受力均衡和稳定，在

建造过程中的步骤和难点都应该预计的

到，如钢筋混泥土的选择，斜拉杆的分布

及个数的多少，这些都对工程的施工和寿

命有影响。所以做工程建造前必须有着严密的计算分析与可能出现情况的充分准备及解决方案，这是每个工程建设人员必备的素养。

最后是对工程实际环境的考察和科学估计。如高原与平原的不同。高山与土层的分布、风载荷地震雨水冷湿等自然因素的考量。有些甚至要考虑到特殊的人

文需要，如建造地铁，我们必须避开高

大建筑层和易塌方段，建在核电站的建

筑等等，在这些工程结构中体现出一个

有一个特殊的规范和要求，如左图的青

藏铁路建设，为了保证铁路地基的长年

冷冻状态，在铁路两旁的地基中插入了

数千根散热棒，否则地基会有于长期的工作解冻坍塌裂缝等只是铁轨受力不均，进而可能造成不可预计的损失。这些都是要在实际工程重要考虑和解决的问题，只有正确的通过各种科学手段我们才能把一座座优美坚固的建筑呈现在大地上。

力学是美丽的也是要我们认真对待的，他几乎应用到了所有角落。建筑是随着人类文明进步一起发展的，再好的理论都需要可靠地

实践来证明，同理好的理论和方法也尤为重要，如计算

机的发展，模拟软件的开发，模块的受力及有限单元法

的使用等极大地促进了力学分析和复杂问题的计算，所

以他们实相符促进和影响的。

总之，力学与建筑是分不开的，我们作为力学学习

者，特别是对我这样对建筑土木感兴趣的学生来说，掌

握最基本的分析方法和培养良好的科学习惯尤为重要，

并为以后的学习和工作打下坚实基础。当一个工程在我们手中像长城一样伫立不倒是是我们最高兴的时刻！

祝广大力学工作者工作顺利生活愉快！