建筑結(jié)構(gòu)與材料及其力學(xué)特性初探

譚楚琰

摘要? 隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，代表建筑學(xué)頂尖水平的超大型、超高難度建筑工程應(yīng)運(yùn)而生，與之相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)與建筑材料科學(xué)也廣受關(guān)注。論文對(duì)建筑工程上常見的建筑結(jié)構(gòu)形式在不同荷載下的力學(xué)問題進(jìn)行了分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)中常用材料的力學(xué)特性進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞 建筑結(jié)構(gòu);建筑材料;荷載;力學(xué)特性

隨著國(guó)家城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐一直保持著向前高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，這使得城市的地理空間不斷擴(kuò)大，城市生活圈、功能圈輻射范圍也向更偏遠(yuǎn)的村鎮(zhèn)覆蓋。借著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展的契機(jī)，我國(guó)的建筑行業(yè)最近幾年呈井噴態(tài)勢(shì)成長(zhǎng)，一方面適應(yīng)國(guó)家建設(shè)的需求，另一方面推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。與此同時(shí)，代表建筑行業(yè)頂尖水平的各類極具代表性的建筑工程也隨著建筑行業(yè)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，包括舉世聞名的三峽大壩工程、全球最長(zhǎng)的跨海大橋（港珠澳大橋）、世界第一高橋（北盤江大橋），等等。

建筑行業(yè)的飛速發(fā)展最根本的依賴是建筑結(jié)構(gòu)形式和建筑材料的不斷創(chuàng)新發(fā)展。然而，不管是古建筑還是最新的各類建筑工程，最重要的承載以及傳力構(gòu)件仍然是最基本的梁、柱等結(jié)構(gòu)形式，而構(gòu)成這些基本結(jié)構(gòu)的材料主要包括鋼筋、水泥、木材等;此外，一些新型的結(jié)構(gòu)形式如空腹鋼架、空間桁架、膜結(jié)構(gòu)以及新材料如復(fù)合材料等也有一定的應(yīng)用。本文將對(duì)典型的建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料開展研究，主要探討其力學(xué)特征問題，并對(duì)其在建筑工程上的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)。

一、建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題

建筑結(jié)構(gòu)主要由柱、梁、板等組成，具有一定的空間功能，能承受荷載、溫度變化、基礎(chǔ)沉降等各種因素。建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有安全性、適用性、耐久性等特點(diǎn)，也即是說，結(jié)構(gòu)在施工、使用過程中遇到各種荷載作用時(shí)首先能保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性而不倒塌，其次結(jié)構(gòu)應(yīng)在使用環(huán)境下在設(shè)計(jì)使用年限范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)功能的損傷。

建筑結(jié)構(gòu)形式眾多，主要包括砌體結(jié)構(gòu)、墻板結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等，下面對(duì)不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

砌體結(jié)構(gòu)常見于建筑的墻、柱、基體、隧道等，主要承受結(jié)構(gòu)的自重;砌體結(jié)構(gòu)受垂直方向的載荷，因此砌體結(jié)構(gòu)具有良好的抗壓性能;然而，由于磚、石與砂漿之間的粘接力較弱，砌體結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪、抗彎及抗震性能都很差。墻板結(jié)構(gòu)由墻體和樓板組成，常用于居住建筑中;墻體是其主要承重結(jié)構(gòu)，能承受垂直方向的重力荷載以及突發(fā)的地震荷載等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是梁和柱組成的承重體系，主要承受水平和垂直方向的荷載;框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小，其結(jié)構(gòu)類似于豎向的懸臂剪切梁，受水平荷載或地震荷載時(shí)上層結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)較大水平位移，因此不能用于高層建筑。

剪力墻結(jié)構(gòu)的受力形式與框架結(jié)構(gòu)類似，主要承受豎向和水平荷載;不同之處在于剪力墻中采用了鋼筋混凝土墻板，增加了墻面內(nèi)的剛度，能承受各類荷載引起的內(nèi)力，這種結(jié)構(gòu)在高層房屋中被大量運(yùn)用。剪力墻結(jié)構(gòu)的受力形式主要為剪力或彎矩荷載，荷載的來源是結(jié)構(gòu)底部受地基約束作用而結(jié)構(gòu)上端受風(fēng)載等水平荷載，約束和荷載形成一對(duì)剪力，同時(shí)上端的水平荷載會(huì)使得墻體發(fā)生彎曲效應(yīng)，因此，墻體上的內(nèi)力是剪應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力的組合。

殼體結(jié)構(gòu)中殼層的厚度遠(yuǎn)小于其余兩個(gè)尺寸，其受力形式為外部荷載作用于殼體表面，殼體上的應(yīng)力主要為拉、壓應(yīng)力，殼體結(jié)構(gòu)為空間曲面結(jié)構(gòu)，具有良好的空間傳載性能，其剛度大、承載能力高。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要由桿件構(gòu)成，桿件之間通過節(jié)點(diǎn)連接，能承受水平和豎直方向的荷載，也能承受風(fēng)載、地震荷載等，具有空間受力小、重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn);由于桿件結(jié)構(gòu)主要承受軸向載荷，作用于結(jié)構(gòu)上的彎矩通常由節(jié)點(diǎn)承擔(dān)。懸索結(jié)構(gòu)主要承受拉伸荷載作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部主要為拉應(yīng)力，常采用鋼絲束、鋼絲繩等抗拉性能好的材料，主要用于橋梁、大跨度高層建筑等，以減小橋面或屋面構(gòu)件的跨度并降低這類構(gòu)件的彎曲內(nèi)力。懸索結(jié)構(gòu)剛度小，采用加筋或雙層結(jié)構(gòu)能提高其剛度。膜結(jié)構(gòu)起源上世紀(jì)中期，工程實(shí)踐中得到應(yīng)用的膜結(jié)構(gòu)主要包括氣膜結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)等;氣膜結(jié)構(gòu)主要承受自重和外部荷載，承載能力來自于膜面內(nèi)外空氣壓力差;張拉膜結(jié)構(gòu)中的柔性鋼索承受拉力，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

二、建筑材料的力學(xué)特性及其應(yīng)用

建筑材料的種類繁多，分類依據(jù)主要有結(jié)構(gòu)性的、功能性的以及專用的幾類，其中結(jié)構(gòu)材料在建筑結(jié)構(gòu)中占有決定性的地位，主要應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中承受各種形式的荷載作用，確保建筑結(jié)構(gòu)的施工及使用安全性，這類材料具有強(qiáng)度高、耐久性好、環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)。主要包括鋼材、混凝土、木材、竹材、石材、復(fù)合材料、膜材等。

根據(jù)《材料力學(xué)》的知識(shí)，對(duì)于所有材料，材料的強(qiáng)度和剛度必須關(guān)注，然而，對(duì)于不同材料，關(guān)注的內(nèi)容又有所不同。對(duì)于鋼筋這類塑性材料，關(guān)注的重點(diǎn)是材料的屈服強(qiáng)度;而對(duì)于石材這類脆性材料，關(guān)注的重點(diǎn)是材料的抗拉強(qiáng)度;而對(duì)于復(fù)合材料，關(guān)注的力學(xué)特性參量又有所不同。

建筑用鋼材包括鋼結(jié)構(gòu)用和鋼筋混凝土用兩類，結(jié)構(gòu)用鋼材主要為普通低碳鋼和合金鋼，鋼筋混凝土用鋼材相對(duì)于結(jié)構(gòu)用鋼，多了一道冷拔加工工序。對(duì)于普通低碳鋼，由其拉伸力學(xué)特性知道，材料的屈服強(qiáng)度是材料是否發(fā)生塑性形變的分界線，材料在設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的準(zhǔn)則也是以屈服強(qiáng)度為準(zhǔn);而采用冷拔工藝加工的鋼材，材料的屈服強(qiáng)度會(huì)得到顯著提高，此時(shí)材料的塑性變形能力被大大減弱。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼材由于更關(guān)注材料的更大的屈服強(qiáng)度而不關(guān)注其塑性特性，所以采用冷拔鋼材。由于使用環(huán)境的影響，鋼筋銹蝕不可避免，研究表明銹蝕后材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量都有一定程度的降低。

混凝土是一種復(fù)合材料，由水泥等膠凝材料與砂、石等骨料經(jīng)過充分?jǐn)嚢栊纬?，這類材料具有良好的可塑性和耐腐蝕性。混凝土硬化后其抗壓強(qiáng)度、軸向抗拉強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等是其最重要的力學(xué)特性參數(shù)，此外，衡量彈性變形的彈性模量、持久荷載作用下的松弛效應(yīng)等也是其廣受關(guān)注的力學(xué)特性。

木材是一種歷史悠久的建筑材料，由于其具有拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度高、彎曲模量大等優(yōu)異的力學(xué)性能，且具有易加工、容易從自然界獲得等特點(diǎn)，在我國(guó)以及世界的建筑史上占有重要地位。日本2016年公布的各省廳公共建筑木材使用量較2015年增加了58.8%，而計(jì)劃于2019年竣工的世界上最高的木建

筑（35層樓高）是Michael綠色建筑公司為巴黎設(shè)計(jì)的Baobab建筑。

竹材是我國(guó)特有的一種綠色環(huán)保的建筑結(jié)構(gòu)材料，被認(rèn)為自然界中效能最高的材料，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度是木材的大約2倍左右，抗壓強(qiáng)度是木材的約1.5倍，且高于普通鋼材的強(qiáng)度。竹材是一種纖維材料，其良好的力學(xué)特性主要是沿著纖維軸向的，包括順紋抗拉、抗壓強(qiáng)度和彈性模量、抗剪強(qiáng)度等。由竹材制備的膠合板、層壓板、復(fù)合板等適合用于建筑結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱、墻體等結(jié)構(gòu)構(gòu)件

石材主要分為天然石材與人造石材兩類，其耐火性與耐久性能好，常用于構(gòu)造重要的或具有紀(jì)念意義的建筑物。吸水率低的石材的抗壓強(qiáng)度較高，易于加工，被廣泛用于砌體結(jié)構(gòu)，也是古老建筑結(jié)構(gòu)的重要材料之一。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料根據(jù)功能要求復(fù)合而成的材料，建筑結(jié)構(gòu)上使用的復(fù)合材料種類較多，如鋼筋混凝土材料、夾心墻板等，而鋼筋混凝土材料用于制造主要的承力結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料在正常使用荷載以及地震、火災(zāi)等特殊環(huán)境下的強(qiáng)度、剛度、韌性等力學(xué)特性參數(shù)是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

膜材主要采用高分子聚合物，其在自然環(huán)境的日照、雨淋以及溫度等影響下，會(huì)出現(xiàn)物理化學(xué)性能的退化，從而其力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生顯著變化。衡量膜材力學(xué)特性的基本強(qiáng)度指標(biāo)包括膜材的抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度以及膜片與膜片的連接強(qiáng)度等;膜材料的彈性模量、剪切模量等與材料力學(xué)特性相關(guān)的材料常數(shù)也是研究關(guān)注的重點(diǎn)。

三、結(jié)語：

建筑結(jié)構(gòu)與建筑材料相互依存，各種形式的建筑結(jié)構(gòu)需要建筑材料來制造和填充，而建筑材料需要依附于特定的建筑結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮其效用。建筑結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新和發(fā)展離不開材料科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，它們共同推動(dòng)著建筑科學(xué)的不斷進(jìn)步。

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