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摘要：建筑力學的結構部分是建筑結構的基礎，主要包括彎矩的計算和破壞的定量原理等，物理力學知識在建筑工程中的應用范圍及其廣泛，包括了建筑工程中的各個方面，因此研究物理力學知識在建筑工程中的應用具有重要作用。本文筆者以基礎力學觀點和力學與建筑力學關系為基點，對建筑力學形成的主要任務和內容進行初步的分析與探討。

關鍵詞：物理力學；建筑工程；應用

力是物理學當中一個非常重要的概念，它是指物體之間相互的作用。力的范圍包括物體的形變和運動形態的改變，根據其受力的情況可以分為受力物體以及施力的物體。建筑力學是為建筑專業的學生所開設的一門具有理論性和實踐性的技術基礎課程，旨在培養學生應用力學的基礎建筑力學本原理，分析和研究其建筑結構及其構件在各種條件之下的剛度、強度、穩定性等方面的能力。作為一名建筑師，我們要努力地學好力學各個方面的知識，為人類力學的發展貢獻出我們自己的一份力量。

一、建筑工程中物理力學的范圍

建筑工程中涉及的物理力學知識眾多，主要是研究物質宏觀運動規律及其應用，建筑工程給物理力學的實際應用提出了更高的要求，物理力學的最新研究成果可以為建筑工程提供一些設計思路。人類對于物理力學知識在建筑工程中的應用可以追溯到很久遠的時代，我國古代及古希臘的一些著作中，就已經對物理力學在建筑工程中的應用做了一些敘述，然而在過去的建筑工作中，主要還是憑借經驗來進行工程建設的。伽利略出版了世界上第一本有關材料力學的著作《關于兩門新科學的談話和數學證明》，但從其具體的內容來看，對于建筑工程物理力學知識的應用這方面的研究依舊不成熟。而后納維宣讀了《在一物體的表面及其內部各點均應成立的平衡及運動的一般方程式》，這被視作彈性理論的開端。早在我國公元前5世紀到4世紀，《墨經》中就有對物體所受浮力與其排開液體體積之間關系的敘述。土木工程力學初步形成于20世紀初期，并且在40年代以后獲得了迅速的發展。在這一發展過程中，泰爾扎吉的作用不可忽視。19世紀到20世紀前葉，對建筑物梁的剛度和強度、變形和力、穩定性、彈性模量的研究反映出了這時候力學知識研究對象的全面性，更傾向于從宏觀的角度，將實驗與理論相結合，就物體的各種性質展開深入的研究。正是因為有了20世紀前葉物理學的快速發展，并以現代數學為基礎，理性力學這門新的學科出現了。隨著結構工程技術的不斷進步，建筑工程學家聯同數學家和力學家們對工程力學的發展做出了突出的貢獻。固體力學包含材料、結構、彈性、塑形、復合材料等方面，其中，材料力學、結構力學和彈性力學在建筑工程上的應用非常廣泛，于是很多人把這三個門類統稱為建筑力學，這也就充分表明了，這是一門主要應用于物理力學中的一般原理來對其自身作用在各種建筑物上的影響進行研究的學問。物理力學在建筑工程技術方面的應用促使各種工程力學或者應用分支出現，建筑力學是一門基礎性科學，又是一門應用型科學，在工程中的應用以及與社會各行業的結合是非常密切的。與力學相關的基礎學科也有很多，主要包括數學、化學、物理、天文、自然科學等，而與力學相關的工程學科有土木、機械、交通、能源、化工等。伴隨著社會各行業的發展，我國國民經濟水平不斷提高，科技技術也取得了較大的進步，使得力學在其中的作用越來越突出，甚至有的時候會起到關鍵性的作用。因此，研究力學，學生就可以在未來從事與之相關的工作，從這一方面來講，力學專業的學生專業對口范圍廣泛，全社會對力學人才的需求也是非常大的。

二、基礎力學觀點

材料力學研究桿件與簡單靜定桿件結構，屬彈性范圍內的研究。拉壓彎剪扭一定要精通。剪力圖、彎矩圖隨手就能畫。基本假定要熟悉，為結構力學打基礎。推薦教材宋子康版材料力學。結構力學研究桿件結構，分靜定與超靜定。也屬于彈性范圍內的研究。靜定結構的彎矩圖不提了，這是基本功底。超靜定力法，位移法牢記在心。重在理解，其中位移法注重定性分析，拿到結構就能有關鍵點彎矩走向的判斷。靜定與超靜定的區別用心體會。彈性力學主要研究板，屬于彈性范圍內的研究。主要有兩個內容，平面應力問題和平面應變問題。力的平衡（轉換為應力），位移協調之間的橋梁即是應力應變本構關系，具體的就是胡克定律所推導出的彈性本構關系。塑性力學是研究生學習內容。主要研究塑性變形，即塑形變形后的應力應變本構關系。掌握應力張量、應變張量。其他的定理稍加理解即可，因為用得最多的是應力張量、應變張量以及不變量和破壞準則。

三、基礎力學觀點在建筑工程中的應用

（一）材料力學的應用

首先我們必須要明確材料力學的含義，研究材料力學的應用就是探討作用力對物體形狀的改變，研究杠桿的拉伸、壓彎、扭曲、變形的特點，然后對物體在變化過程中的強度和剛度及穩定性進行分析和計算。因此我們研究材料力學在建筑工程中的應用主要就是為了獲得材料在外力作用下形成的一般規律，能夠支撐分析和計算的各種理論條件，最后基于對建筑結構設計的安全性和可靠性問題的解決得出結果，以調和建筑結構設計安全性與其獲得的經濟效益的矛盾。材料力學的主要研究對象為杠桿，所謂杠桿就是指建筑物中的各種梁、柱、桿等。杠桿受力會有各種情況，因此其變形式就有許多種，主要有拉伸或壓縮、剪切、扭轉、彎曲四種形式，在實際建筑工程中的杠件，本質上可以看出是上述四種基本變形的組合形態，那么我們就要重點研究組合變形在建筑工程中的應用。首要問題是把握有關組合變形強度的計算方法。具體方法主要是將影響物體變形的各種外力分解或者簡化成為符合基本變性外力作用條件的效力系；根據基本變形確定橫截面內力、位置和分量；對危險點的硬力狀態進行分析，選擇合適的理論提供強度條件，然后開始計算。在材料力學的應用實踐中，壓桿穩定是必須要提高重視的課題。當建筑物中細長的受壓桿因為承受超出其承受能力的壓力時，會因為突然的彎曲而被破壞，被稱作是失穩現象，這也這也是施工過程中經常出現的問題，會導致非常嚴重的后果，甚至使整個建筑物倒塌。在很多建筑工程意外事故中，有相當一部分是因為壓桿失穩而導致的，那么就要考慮如何提高腰桿的穩定性，可以從合理選用截面形狀、縮小壓桿長度、改變壓桿兩端約束、合理選擇壓桿材料來實現。

（二）結構力學的應用

建筑結構是在工程中由各種建筑材料來做成的，用于承受、支撐或者各種負荷或作用的受力體系，因為所使用的建筑材料不同，建筑結構又可以分為鋼結構、混凝土結構、砌體結構、輕型鋼結構、木結構和組合結構等。一個真正安全、美觀又能夠實現經濟效益的建筑結構必然需要同時滿足安全性和穩定性的要求，研究結構力學在建筑工程中的應用的主要目的就是確保所有桿系結構能夠在滿足各種剛度、強度、穩定性上要求的具體方法和原理。首先，在剛度問題上，先要明白剛度的含義，建筑結構的剛度主要反映了結構在正常使用的情況下，能夠承受的極限變形狀態的一種性質。在荷載不變的情況下，結構剛度越大，結構變形就要越小，反之，結構的變形越大，那么結構的剛度就要更小。要保證建筑物最后的安全和穩定，就要使其在前期設計中，在施加了各種預期設計會產生的作用力后，盡可能地避免發生破壞和變形的概率。一旦建筑物的結構剛度很小，就會超出其正常使用情況下的極限狀態，結構就會失去其本來的使用功能。在房屋建筑物中，既要滿足強度要求，又不至于產生破壞，就要把控梁的變形，對其剛度作一定限制，避免過度變形，超出規定范圍，影響正常使用。其次，在強度問題上，當建筑物建構達成最大承載力，或是因為長時間使用承載過度就意味著該結構已經到了承載極限狀態。當結構出現了傾覆、滑移、塑形過度時，既被認定喪失了承載能力。當建筑物出現上述情況時，就必須要重新考慮建筑物的強度要求了。對于穩定問題，在建筑物的中心受壓桿上，一旦壓力負荷，受壓桿都會出現彎曲，由原來的直線變為曲線形狀，受壓桿原本的工作性質被破壞，比如房屋的柱子太細、太長，就會失去穩定，導致建筑物倒塌。在建筑工程中，不乏因為結構失穩而導致的許多意外事故，歷史上已有諸多實例。隨著現代工程技術的不斷發展，城市建筑物中的高層建筑越來越多，對建筑物材料的要求也越來越高，建筑結構也會更加復雜，這也就加劇了建筑物結構部件的失穩可能性。因此，應用結構力學知識最主要的目的是保證建筑物強度和剛度的合理，保證建筑物有足夠的穩定性，這是現代化工程建筑的必然要求。

（三）彈性力學的應用

彈性力學又稱彈性理論，主要研究的是物體在外力作用或者是溫度變化等客觀因素的影響下，產生的應力、變化和位移，彈性力學的應用主要是為建筑物結構或設計中對剛度和強度要求的問題作補充。在研究對象上，彈性力學不同于結構力學和材料力學，三者之間有自身各自的分工。簡言之，材料力學只研究桿狀構件，結構力學是在材料力學的基礎上，對桿狀構件所組成的結構進行研究，就是對杠件系統進行研究，而彈性力學就是包含對所有結構、部件在內的各種彈性體的研究，因此，它是物理力學在建筑工程應用中各個類別的交叉點。對于物體的彈性變形，應當從建筑材料內部作用進行分析。固體材料之所以能夠在內部結構上保持穩定，主要是因為使用的固體材料的內部原子之間可以相互平衡，原子之間密切聯系，又可以保持一定距離，形成平衡關系。當受到外力作用時，這種平衡關系被打破，為了再次恢復這種平衡關系，材料內部原子之間便需要進行移動和調整，重新取得各個作用力之間的平衡。那么如果能夠得出原子之間作用力的一般規律，就可以得出物體受到彈性作用力的反應。建筑工程包括多個專業方面，不同專業對于彈性力學的應用和要求是不同的。巖土、地下工程顯然對彈性力學有著高要求，還有建工方向對彈性力學的要求相對較低。彈性力學在建筑工程中的應用能夠使建筑物有效避免各種不可抗力的影響，保證建筑物能夠在合理范圍內保持晃動頻率，特別是在地震等地質災害中可以減少房屋破壞或倒塌的現象。在水壩建筑結構中，彈性力學同樣也有著很大的應用空間，水壩建筑物具有曲線性，能夠承受內部和外部壓力。彈性力學在建筑工程上有不少應用實例。材料力學和結構力學的研究對象是桿狀構件，比如常見的梁結構，在承重的主梁上經常會涉及彈性力學。建筑物主梁長期受到自上而下的壓力，逐漸會向下彎曲，產生變形，單純采用材料力學的知識解釋梁作用的問題是不可行的，必須要結合彈性力學的方法。比如對于混凝土梁來講，必須要分析內部結構的作用力，才可以順利展開接下來的設計。如果單獨按照材料力學或者結構力學的方法，對混凝土梁進行力學分析，那么就會得出梁截面很大的結論，這不僅會浪費建筑材料，更難以達到預期的結構效果。在高層建筑物中，最上面的建筑物一般較小，下面的建筑物空間較大，這兩種建筑結構之間會出現一個過渡層，這個過渡層采用的結構一般是框支梁，而該梁的高度較高，框支梁的受力會更加復雜，必須要用精細的彈性力學進行分析。在巖土工程上，很多時候還是要按照彈性力學來考慮，才會滿足復雜工程的需求。

四、力學與建筑力學

建筑力學必然涉及如何將工程實際問題上升到理論層次上進行研究，在理論分析時又如何考慮實際問題的情況等。例如，如何將實際的結構連同其所受的荷載和支承等簡化為可供計算的“力學模型”；在分析和計算時要考慮存在的主要因素以及實際建造商的方便性和經濟性；等等。需要多多注意觀察工程上常遇到的一些結構，嘗試用力學方法去分析問題。所有滿足受力和受力規律的一切學科都可以稱之為力學。力學表示自然學科中的數學、天文學、物理學、地理學和生物學內容，涉及的范圍非常廣泛。人們最初對力學的研究，主要從一些自然現象和勞動經驗中獲得。從新時期時代改變巢居穴到17世紀的土木時代的發展，給力學建立了發展基礎。古希臘時代阿基米德研究了杠桿的平衡和水中物體受到浮力之后，中心位置的改變，利用一定的原理對自己的研究進行了確定。隨著社會的發展，很多建筑開始建立起來，成為了古代建筑文明的主要組成部分。

五、建筑力學的主要任務與內容

建筑力學是以物理和高等數學為基礎的一門專業基礎課，要求學生具備一定的數學和物理知識。主要研究對象是桿件和桿件結構，它雖有應用的背景，但不涉及具體的工程或產品。它是建筑工程技術專業后續的建筑結構、地基與基礎、建筑施工等課程的必備的理論基礎。因為它還涉及有應用背景，所以在具體的工程或產品中可以解決一些實際的力學問題。它又是對學生進行思維和技能訓練、培養能力的主要課題，因而它的覆蓋面比較寬，且要求有一定的理論深度和知識廣度，還具有與建筑工程技術相關的方法論，對所培養的建筑工程技術人員打下必要的力學理論基礎。作為施工技術及施工管理人員，必須掌握一定的建筑力學知識，知道結構和構件的受力情況、危險截面危險點、各力的傳遞途徑以及結構和構件在這些力的作用下會發生怎樣的變形等等，這樣才能很好理解涉及圖紙的意圖及要求，科學的組織施工，制定出合理的安全和質量保證措施；在施工過程中，要將設計圖紙變成實際建筑，往往要搭設一下臨時設施及機具，確定施工方案、施工方法和施工技術組織措施。如對一些重要的梁板結構施工時，為了保證梁板的形狀、尺寸和位置的正確性，對安裝的模板及其支架系統必須要進行設計和演算；進行深基坑（槽）開挖時，如采用土壁支撐的施工方法防止土壁塌落，對支撐特別是大型支撐和特殊的支撐必須進行設計和計算，這些工作都是由施工技術人員來完成的，因而，只有懂得力學知識才能很好地完成設計和演算任務，避免發生質量和安全事故，確保建筑施工正常進行。要想成為一名優秀的建筑工程師，想要設計出兼具審美價值和經濟效益的優美建筑物，就必須要對多個方面的知識進行邏輯的整合和全面的理解，這些知識就主要包括物理力學在建筑物上的作用和影響的內容。只有具備扎實的物理知識基礎，才能夠在實際的建筑工程中使自身的設想更加完美地實現，并且確保施工工程的順利展開，這樣就能夠獲得預期的經濟效益，又能夠保證安全效益，實現力與形之間的和諧統一。當然，要想使整個建筑工程平穩有序推進，少不了建筑師在施工過程中做好彼此之間的協調工作，注意合理分工，合作交流，根據具體問題具體分析，才能夠避免一些矛盾的產生。

六、結語

總之，物理力學知識對建筑學而言極其重要，在中職教育中教師可通過物理學與建筑學的跨學科融合來創新教學，通過建筑學中的力學知識來強化力學實踐，只有合理地運用力學方法，才能建筑出節約成本、令人們滿意的建筑結構。

作者:秦月華 單位:江蘇省泰興中等專業學校