“力學”在建筑工程中的有效應用探討

摘要：隨著人類社會的進步和發展，人類逐漸從建筑建構和實踐中總結經驗，發展成現代的力學理論與方法。這些理論和方法幾乎被應用到了所用領域。建筑的發展和力學是不可分的，可以說沒有可靠的力學與結構分析就沒有安全而又實用的優秀建筑。尤其是對于現代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過很多次的實驗驗證。

關鍵詞：力學;土建工程;建筑力

1力的概念

“力”作為物理學中一個十分重要的基本概念，是指物體之間的相互作用。當一個物體受到其他物體的作用后，物體獲得速度或者發生的變形我們都稱之為“力”。在力學的范圍內，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，即產生加速度）稱之為運動狀態的變化。力作為物體或物質之間的相互作用，當一個物體受到力的作用后，一定存在另一個對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。力是看不見摸不著的，是由人們在長期的生活實踐中逐步建立起來的。

2建筑力學的研究對象

建筑力學的研究對象為建筑（工程）結構和構件。結構：建筑物中承擔荷載的體系（承重骨架）。如：梁柱體系、板殼體系、網架體系、水塔、橋梁、土壩、擋土墻等。構件：組成結構的各單獨部分。如：基礎、柱、梁、屋面板等。

3建筑力學在建筑設計中的作用

建筑師要設計出適用、經濟、美觀的建筑物，必須具備美學、藝術、生成等各方面的理論知識。其中包括建筑力學和結構方面的知識，以便在建筑設計工作中能夠選擇合理的結構形式。在安全和經濟的前提下，實現自己的建筑構思，體現力與美的完美結合。

建筑師要在各專業工程師之間做好協調工作，在初步設計階段作出選用何種承重結構的決定，向結構工程師提出合理的結構要求，在整個設計過程中與結構工程師共同研究和解決建筑和結構之間可能出現的矛盾。

例如：要建造一棟展覽館。當場地、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題，都要用到結構的知識，而結構受力知識的基礎是力學。

4 建立施工力學計算模型

通過對高層建筑結構的調查研究，我們不難發現，在施建的整個過程當中，建筑結構的邊界約束、載荷以及材料的整體剛度都在不斷地發生著變化。同時，在施工中產生的誤差同樣會造成位移發生改變，建筑初期結構會發生徐變，上層對下層結構發生的變形沒有任何約束作用，實際下層結構就是上層結構的一個支座。

根據高層建筑結構這一受力特點，我們采用超級有限元 -有限元藕合的方法來對施工的整個過程進行模擬。如，我們利用超級元，也就是Ⅰ區，對高層建筑結構的初始狀態（我們稱為 ST1）進行結構上的分析，得到超級元與單元構件之間關系，其中包括位移和內力。接下來，我們按照有限元，或者說是Ⅱ區，對建筑物的遞增構件（ST2）進行結構力學分析。隨后我們在Ⅰ區和Ⅱ區之間進行藕合的協調工作，去完成在施工過程中不同條件下各個狀態位移與內力的計算與分析，然后我們在以當前的結構 ST3 為起點，建立起一個新的超級元，新增構件（ST2）按有限元（Ⅱ區），不斷重復以上操作，直到滿足我們需要。

需要注意的是，遞增構件的設置需要根據我們實際情況進行，并不是每個遞增構件對應高層建筑的一層結構，它可以由若干個結構構成。

5 超級有限元 - 有限元藕合介紹

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

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

首先，我們假設在一個遞增的構件（Ⅱ區）當中存在若干個構件與超級元（Ⅰ區）相接觸，我們設定構件個數為 n，接觸面的面積為 S，那么根據最小勢能原理，Ⅱ區中的 n 個構件在接觸面上轉化為Ⅰ區的廣義自由度，可以用算式[K（t）]{δ} +[M（t）]{δ}={F（t）} 來表示整個系統，其中剛度 K 與質量陣 M 為時間 t 的函數。

6 時變時的施工力學分析

在考慮時變的情況下，由于剛度的時變能夠引發內部應力的重新分配，因此，在某種程度上會對結構分析造成一定的影響。在工程進度不斷向前推進時，部分構件的內力要比在忽略剛度時變時的內力數值要大，需要在建筑結構的設計中引起注意。我們也可以得出以下結論：

（1）在高層建筑結構的施工力學分析中，超級有限元 -有限元藕合法是切合實際，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，并可以同時推廣到其他復雜的建筑結構當中去。

（2）隨著建筑高度的不斷增高，采用施工力學的方法與普通的力學方法之間對內力分布的分析差異不斷增大，同時，在對剛度相對較小的框架構件進行分析時，施工力學分析方法的內力值普遍較小，而剛度大的框架構件，內力值又偏大，甚至內力的方向發生改變，其主要原因是在施工進度推進的過程中，建筑結構中的內力不斷進行重新分配，作用力之間的約束減小而造成的。可見，在普通的力學分析方法中，是不能得出此現象，容易造成施工安全隱患。

（3）在施工的過程中，混凝土的剛度和強度會隨著時間的變化而發生變化的，每個過程都存在不同剛度和強度的結構體系，建筑內力不斷發生重新分配現象，框架構件的內力變化會對建筑結構的分析產生影響，必須予以重視。

7結束語

土建工程力學應用是一門研究物體平衡規律以及構件及結構的強度、剛度和穩定性的科學，它涵蓋了剛體靜力學、材料力學和結構力學的主要內容，土建工程力學應用所研究的問題主要有三類：第一類研究物體的平衡規律：第二類是研究力使物體變形的規律，即研究作用在物體上的力與變形之間的關系;第三類是研究結構的承載能力問題。建造建筑物前，依據學到的分析及計算方法對建筑構件進行受力分析從而確定構件具體尺寸大小、材料及排列，計算后制作的構件能滿足，能安全正常使用，不易破壞及產生過大形變，節約材料成本，降低工程造價（經濟）。

建筑的發展和力學是不可分的，可以說沒有可靠的力學與結構分析就沒有安全而又實用的優秀建筑。尤其是對于現代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過很多次的實驗驗證。如何用最少的材料建造最安全適用的房屋是有一套過程的，通過對建筑模型的力學分析，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構和拉桿等，在長期的負荷作用下如何保持結構的受力均衡和穩定，在做工程建造前必須有著嚴密的計算分析及準備方案。例如，在建設青藏鐵路時，為了保證鐵路地基的長年冷凍狀態，在鐵路兩旁的地基中插入了數千根散熱棒，否則地基會由于長期的工作解凍，坍塌裂縫，造成鐵軌受力不均，造成不可預計的損失，這些都是要在實際工程中考慮和解決的問題，只有正確地利用力學才能把一座座優美堅固的建筑呈現在大地上。