物理力学知识在建筑工程中的应用

秦月华

摘 要：建筑力学的结构部分是建筑结构的基础，主要包括弯矩的计算和破坏的定量原理等，物理力学知识在建筑工程中的应用范围及其广泛，包括了建筑工程中的各个方面，因此研究物理力学知识在建筑工程中的应用具有重要作用。本文笔者以基础力学观点和力学与建筑力学关系为基点，对建筑力学形成的主要任务和内容进行初步的分析与探讨。

关键词：物理力学;建筑工程;应用

力是物理学当中一个非常重要的概念，它是指物体之间相互的作用。力的范围包括物体的形变和运动形态的改变，根据其受力的情况可以分为受力物体以及施力的物体。建筑力学是为建筑专业的学生所开设的一门具有理论性和实践性的技术基础课程，旨在培养学生应用力学的基础建筑力学本原理，分析和研究其建筑结构及其构件在各种条件之下的刚度、强度、稳定性等方面的能力。作为一名建筑师，我们要努力地学好力学各个方面的知识，为人类力学的发展贡献出我们自己的一份力量。

一、建筑工程中物理力学的范围

建筑工程中涉及的物理力学知识众多，主要是研究物质宏观运动规律及其应用，建筑工程给物理力学的实际应用提出了更高的要求，物理力学的最新研究成果可以为建筑工程提供一些设计思路。

人类对于物理力学知识在建筑工程中的应用可以追溯到很久远的时代，我国古代及古希腊的一些著作中，就已经对物理力学在建筑工程中的应用做了一些叙述，然而在过去的建筑工作中，主要还是凭借经验来进行工程建设的。伽利略出版了世界上第一本有关材料力学的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》，但从其具体的内容来看，对于建筑工程物理力学知识的应用这方面的研究依旧不成熟。而后纳维宣读了《在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式》，这被视作弹性理论的开端。早在我国公元前5世纪到4世纪，《墨经》中就有对物体所受浮力与其排开液体体积之间关系的叙述。土木工程力学初步形成于20世纪初期，并且在40年代以后获得了迅速的发展。在这一发展过程中，泰尔扎吉的作用不可忽视。19世纪到20世纪前叶，对建筑物梁的刚度和强度、变形和力、稳定性、弹性模量的研究反映出了这时候力学知识研究对象的全面性，更倾向于从宏观的角度，将实验与理论相结合，就物体的各种性质展开深入的研究。正是因为有了20世纪前叶物理学的快速发展，并以现代数学为基础，理性力学这门新的学科出现了。随着结构工程技术的不断进步，建筑工程学家联同数学家和力学家们对工程力学的发展做出了突出的贡献。固体力学包含材料、结构、弹性、塑形、复合材料等方面，其中，材料力学、结构力学和弹性力学在建筑工程上的应用非常广泛，于是很多人把这三个门类统称为建筑力学，这也就充分表明了，这是一门主要应用于物理力学中的一般原理来对其自身作用在各种建筑物上的影响进行研究的学问。

物理力学在建筑工程技术方面的应用促使各种工程力学或者应用分支出现，建筑力学是一门基础性科学，又是一门应用型科学，在工程中的应用以及与社会各行业的结合是非常密切的。与力学相关的基础学科也有很多，主要包括数学、化学、物理、天文、自然科学等，而与力学相关的工程学科有土木、机械、交通、能源、化工等。伴随着社会各行业的发展，我国国民经济水平不断提高，科技技术也取得了较大的进步，使得力学在其中的作用越来越突出，甚至有的时候会起到关键性的作用。因此，研究力学，学生就可以在未来从事与之相关的工作，从这一方面来讲，力学专业的学生专业对口范围广泛，全社会对力学人才的需求也是非常大的。

二、基础力学观点

材料力学研究杆件与简单静定杆件结构，属弹性范围内的研究。拉压弯剪扭一定要精通。剪力图、弯矩图随手就能画。基本假定要熟悉，为结构力学打基础。推荐教材宋子康版材料力学。

结构力学研究杆件结构，分静定与超静定。也属于弹性范围内的研究。静定结构的弯矩图不提了，这是基本功底。超静定力法，位移法牢记在心。重在理解，其中位移法注重定性分析，拿到结构就能有关键点弯矩走向的判断。静定与超静定的区别用心体会。

弹性力学主要研究板，属于弹性范围内的研究。主要有两个内容，平面应力问题和平面应变问题。力的平衡（转换为应力），位移协调之间的桥梁即是应力应变本构关系，具体的就是胡克定律所推导出的弹性本构关系。塑性力学是研究生学习内容。主要研究塑性变形，即塑形变形后的应力应变本构关系。掌握应力张量、应变张量。其他的定理稍加理解即可，因为用得最多的是应力张量、应变张量以及不变量和破坏准则。

三、基础力学观点在建筑工程中的应用

（一）材料力学的应用

首先我们必须要明确材料力学的含义，研究材料力学的应用就是探讨作用力对物体形状的改变，研究杠杆的拉伸、压弯、扭曲、变形的特点，然后对物体在变化过程中的强度和刚度及稳定性进行分析和计算。因此我们研究材料力学在建筑工程中的应用主要就是为了获得材料在外力作用下形成的一般规律，能够支撑分析和计算的各种理论条件，最后基于对建筑结构设计的安全性和可靠性问题的解决得出结果，以调和建筑结构设计安全性与其获得的经济效益的矛盾。

材料力学的主要研究对象为杠杆，所谓杠杆就是指建筑物中的各种梁、柱、杆等。杠杆受力会有各种情况，因此其变形式就有许多种，主要有拉伸或压缩、剪切、扭转、弯曲四种形式，在实际建筑工程中的杠件，本质上可以看出是上述四种基本变形的组合形态，那么我们就要重点研究组合变形在建筑工程中的应用。首要问题是把握有关组合变形强度的计算方法。具体方法主要是将影响物体变形的各种外力分解或者簡化成为符合基本变性外力作用条件的效力系;根据基本变形确定横截面内力、位置和分量;对危险点的硬力状态进行分析，选择合适的理论提供强度条件，然后开始计算。在材料力学的应用实践中，压杆稳定是必须要提高重视的课题。当建筑物中细长的受压杆因为承受超出其承受能力的压力时，会因为突然的弯曲而被破坏，被称作是失稳现象，这也这也是施工过程中经常出现的问题，会导致非常严重的后果，甚至使整个建筑物倒塌。在很多建筑工程意外事故中，有相当一部分是因为压杆失稳而导致的，那么就要考虑如何提高腰杆的稳定性，可以从合理选用截面形状、缩小压杆长度、改变压杆两端约束、合理选择压杆材料来实现。