“力學(xué)”在建筑工程中的有效應(yīng)用探討

摘要：隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人類逐漸從建筑建構(gòu)和實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展成現(xiàn)代的力學(xué)理論與方法。這些理論和方法幾乎被應(yīng)用到了所用領(lǐng)域。建筑的發(fā)展和力學(xué)是不可分的，可以說(shuō)沒(méi)有可靠的力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析就沒(méi)有安全而又實(shí)用的優(yōu)秀建筑。尤其是對(duì)于現(xiàn)代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過(guò)很多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：力學(xué);土建工程;建筑力

1力的概念

“力”作為物理學(xué)中一個(gè)十分重要的基本概念，是指物體之間的相互作用。當(dāng)一個(gè)物體受到其他物體的作用后，物體獲得速度或者發(fā)生的變形我們都稱之為“力”。在力學(xué)的范圍內(nèi)，我們將物體形狀以及體積的變化稱之為形變，而將物體的速度變化（包括速度大小以及方向的改變，即產(chǎn)生加速度）稱之為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。力作為物體或物質(zhì)之間的相互作用，當(dāng)一個(gè)物體受到力的作用后，一定存在另一個(gè)對(duì)其施加這種作用的物體，我們將前者稱之為受力物體，而后者則成為施力物體。只要存在力的作用，就一定存在受力物體和施力物體，并且施力物體也是受力物體，而受力物體也是施力物體。力是看不見(jiàn)摸不著的，是由人們?cè)陂L(zhǎng)期的生活實(shí)踐中逐步建立起來(lái)的。

2建筑力學(xué)的研究對(duì)象

建筑力學(xué)的研究對(duì)象為建筑（工程）結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。結(jié)構(gòu)：建筑物中承擔(dān)荷載的體系（承重骨架）。如：梁柱體系、板殼體系、網(wǎng)架體系、水塔、橋梁、土壩、擋土墻等。構(gòu)件：組成結(jié)構(gòu)的各單獨(dú)部分。如：基礎(chǔ)、柱、梁、屋面板等。

3建筑力學(xué)在建筑設(shè)計(jì)中的作用

建筑師要設(shè)計(jì)出適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的建筑物，必須具備美學(xué)、藝術(shù)、生成等各方面的理論知識(shí)。其中包括建筑力學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，以便在建筑設(shè)計(jì)工作中能夠選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。在安全和經(jīng)濟(jì)的前提下，實(shí)現(xiàn)自己的建筑構(gòu)思，體現(xiàn)力與美的完美結(jié)合。

建筑師要在各專業(yè)工程師之間做好協(xié)調(diào)工作，在初步設(shè)計(jì)階段作出選用何種承重結(jié)構(gòu)的決定，向結(jié)構(gòu)工程師提出合理的結(jié)構(gòu)要求，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中與結(jié)構(gòu)工程師共同研究和解決建筑和結(jié)構(gòu)之間可能出現(xiàn)的矛盾。

例如：要建造一棟展覽館。當(dāng)場(chǎng)地、層高、跨度等確定后，屋架選用什么形式、哪些位置放置梁等問(wèn)題，都要用到結(jié)構(gòu)的知識(shí)，而結(jié)構(gòu)受力知識(shí)的基礎(chǔ)是力學(xué)。

4 建立施工力學(xué)計(jì)算模型

通過(guò)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，在施建的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，建筑結(jié)構(gòu)的邊界約束、載荷以及材料的整體剛度都在不斷地發(fā)生著變化。同時(shí)，在施工中產(chǎn)生的誤差同樣會(huì)造成位移發(fā)生改變，建筑初期結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生徐變，上層對(duì)下層結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形沒(méi)有任何約束作用，實(shí)際下層結(jié)構(gòu)就是上層結(jié)構(gòu)的一個(gè)支座。

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)這一受力特點(diǎn)，我們采用超級(jí)有限元 -有限元藕合的方法來(lái)對(duì)施工的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬。如，我們利用超級(jí)元，也就是Ⅰ區(qū)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)（我們稱為 ST1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的分析，得到超級(jí)元與單元構(gòu)件之間關(guān)系，其中包括位移和內(nèi)力。接下來(lái)，我們按照有限元，或者說(shuō)是Ⅱ區(qū)，對(duì)建筑物的遞增構(gòu)件（ST2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。隨后我們?cè)冖駞^(qū)和Ⅱ區(qū)之間進(jìn)行藕合的協(xié)調(diào)工作，去完成在施工過(guò)程中不同條件下各個(gè)狀態(tài)位移與內(nèi)力的計(jì)算與分析，然后我們?cè)谝援?dāng)前的結(jié)構(gòu) ST3 為起點(diǎn)，建立起一個(gè)新的超級(jí)元，新增構(gòu)件（ST2）按有限元（Ⅱ區(qū)），不斷重復(fù)以上操作，直到滿足我們需要。

需要注意的是，遞增構(gòu)件的設(shè)置需要根據(jù)我們實(shí)際情況進(jìn)行，并不是每個(gè)遞增構(gòu)件對(duì)應(yīng)高層建筑的一層結(jié)構(gòu)，它可以由若干個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

5 超級(jí)有限元 - 有限元藕合介紹

超級(jí)有限元，在一些教材與文章中也有稱作綜合有限元的，它是在反應(yīng)半離散以及半連續(xù)的結(jié)合法中一種比較新的方法。

若按函數(shù)類型進(jìn)行劃分，超級(jí)有限元基本分為一維、二維和三維 3 種。按構(gòu)件的類型進(jìn)行劃分，它又分為析架、框架和剪力墻等系統(tǒng)。鑒于超級(jí)有限元的分析方式類似，本文主要對(duì)框架分析進(jìn)行討論，主要研究它的三維超級(jí)元。

首先，我們假設(shè)在一個(gè)遞增的構(gòu)件（Ⅱ區(qū)）當(dāng)中存在若干個(gè)構(gòu)件與超級(jí)元（Ⅰ區(qū)）相接觸，我們?cè)O(shè)定構(gòu)件個(gè)數(shù)為 n，接觸面的面積為 S，那么根據(jù)最小勢(shì)能原理，Ⅱ區(qū)中的 n 個(gè)構(gòu)件在接觸面上轉(zhuǎn)化為Ⅰ區(qū)的廣義自由度，可以用算式[K（t）]{δ} +[M（t）]{δ}={F（t）} 來(lái)表示整個(gè)系統(tǒng)，其中剛度 K 與質(zhì)量陣 M 為時(shí)間 t 的函數(shù)。

6 時(shí)變時(shí)的施工力學(xué)分析

在考慮時(shí)變的情況下，由于剛度的時(shí)變能夠引發(fā)內(nèi)部應(yīng)力的重新分配，因此，在某種程度上會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)分析造成一定的影響。在工程進(jìn)度不斷向前推進(jìn)時(shí)，部分構(gòu)件的內(nèi)力要比在忽略剛度時(shí)變時(shí)的內(nèi)力數(shù)值要大，需要在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中引起注意。我們也可以得出以下結(jié)論：

（1）在高層建筑結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)分析中，超級(jí)有限元 -有限元藕合法是切合實(shí)際，十分可行的。由于該方法采用的是等參元位移的模式，因此該方法可以與其他的一些方法（比如有限條法、有限層法等）共同使用，其使用范圍包括任意外形建筑，并可以同時(shí)推廣到其他復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中去。

（2）隨著建筑高度的不斷增高，采用施工力學(xué)的方法與普通的力學(xué)方法之間對(duì)內(nèi)力分布的分析差異不斷增大，同時(shí)，在對(duì)剛度相對(duì)較小的框架構(gòu)件進(jìn)行分析時(shí)，施工力學(xué)分析方法的內(nèi)力值普遍較小，而剛度大的框架構(gòu)件，內(nèi)力值又偏大，甚至內(nèi)力的方向發(fā)生改變，其主要原因是在施工進(jìn)度推進(jìn)的過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力不斷進(jìn)行重新分配，作用力之間的約束減小而造成的?？梢?jiàn)，在普通的力學(xué)分析方法中，是不能得出此現(xiàn)象，容易造成施工安全隱患。

（3）在施工的過(guò)程中，混凝土的剛度和強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化的，每個(gè)過(guò)程都存在不同剛度和強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)體系，建筑內(nèi)力不斷發(fā)生重新分配現(xiàn)象，框架構(gòu)件的內(nèi)力變化會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的分析產(chǎn)生影響，必須予以重視。

7結(jié)束語(yǔ)

土建工程力學(xué)應(yīng)用是一門研究物體平衡規(guī)律以及構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的科學(xué)，它涵蓋了剛體靜力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容，土建工程力學(xué)應(yīng)用所研究的問(wèn)題主要有三類：第一類研究物體的平衡規(guī)律：第二類是研究力使物體變形的規(guī)律，即研究作用在物體上的力與變形之間的關(guān)系;第三類是研究結(jié)構(gòu)的承載能力問(wèn)題。建造建筑物前，依據(jù)學(xué)到的分析及計(jì)算方法對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行受力分析從而確定構(gòu)件具體尺寸大小、材料及排列，計(jì)算后制作的構(gòu)件能滿足，能安全正常使用，不易破壞及產(chǎn)生過(guò)大形變，節(jié)約材料成本，降低工程造價(jià)（經(jīng)濟(jì)）。

建筑的發(fā)展和力學(xué)是不可分的，可以說(shuō)沒(méi)有可靠的力學(xué)與結(jié)構(gòu)分析就沒(méi)有安全而又實(shí)用的優(yōu)秀建筑。尤其是對(duì)于現(xiàn)代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過(guò)很多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如何用最少的材料建造最安全適用的房屋是有一套過(guò)程的，通過(guò)對(duì)建筑模型的力學(xué)分析，如它的抗彎能力，彈性性能等。尤其在一些大型橋梁建筑中使用的鋼筋結(jié)構(gòu)和拉桿等，在長(zhǎng)期的負(fù)荷作用下如何保持結(jié)構(gòu)的受力均衡和穩(wěn)定，在做工程建造前必須有著嚴(yán)密的計(jì)算分析及準(zhǔn)備方案。例如，在建設(shè)青藏鐵路時(shí)，為了保證鐵路地基的長(zhǎng)年冷凍狀態(tài)，在鐵路兩旁的地基中插入了數(shù)千根散熱棒，否則地基會(huì)由于長(zhǎng)期的工作解凍，坍塌裂縫，造成鐵軌受力不均，造成不可預(yù)計(jì)的損失，這些都是要在實(shí)際工程中考慮和解決的問(wèn)題，只有正確地利用力學(xué)才能把一座座優(yōu)美堅(jiān)固的建筑呈現(xiàn)在大地上。