【建筑工程管理】建筑中的力學(xué)原理

1、拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理院系： 藥學(xué)院年級：2009姓名： 謝翠翠學(xué)號： 20095310229一、概述古代建筑，不僅造型精美，而且合理利用力學(xué)，完美地詮釋了力與美結(jié)合產(chǎn)生的建筑外觀多樣性與結(jié)構(gòu)的合理性。歌德曾經(jīng)說過：“建筑是凝固的音樂，音樂是流動的建筑?！庇纱丝梢?，建筑是美力學(xué)滲透于生活的各處的結(jié)晶。拱式自然界中常見的一種結(jié)構(gòu)，拱橋，斗拱，穹頂各種拱結(jié)構(gòu)遍及生活各處，本論文主要通過拱的敘述來講示其中的力學(xué)原理。二、內(nèi)容（一）拱橋：拱橋中的力學(xué)原理， 就是通過一個水平推力把原本由荷載產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力變成壓應(yīng)力或者大部分轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。拱區(qū)別于梁的最大之處就是存在水平推力，如果這個水平推 力和支座反力以及作

2、用于其上的荷載的合力的作用點和方向剛好通過拱的軸線 ，這樣的拱 就是合理拱，而這樣的拱是只受壓應(yīng)力的.如果兩者不是重合的，那就存在一定的彎矩應(yīng)力。但一般情況在拱的彎矩小于相同跨度的梁的.我們知道石材的抗壓性能是很好的，而抗拉性 能是較抗壓性能差的，通過拱的原理，就可以把抗壓性能好的石材在抗壓方面的特點充分利 用,并且能避免抗拉方面的不足.0簡單來說，就是把豎直向下縱向力，通過橋身內(nèi)力轉(zhuǎn)化 為橫向的力，最后作用到兩邊的基體，所以拱橋的選址要求橋的兩邊基礎(chǔ)扎實。簡支梁彎矩最大（使用于小跨度結(jié)構(gòu)）；伸臂梁、多跨靜定梁、 三較剛架、組合結(jié)構(gòu)彎 矩次之（使用于較大跨度結(jié)構(gòu)）；桁架、具有合理拱軸線的三較拱

3、彎矩為零（使用于大跨度結(jié))o從梁到拱的發(fā)展過程，是一個不斷探討不斷改進(jìn)的過程，梁是用與荷載橫交的直桿來承荷，且靠桿的抗彎、剪能力把力傳到兩端，可謂之“擔(dān)” 。當(dāng)跨度大時，為充分發(fā)揮 材料潛力，可將梁截面加高并敞開，而成為桁架梁。若取其上、下弦所圍外形為 M圖形 時，受力狀態(tài)最好， 則成拱形桁架梁。 以下兩例均為排架，當(dāng)將梁端與柱剛接以減少備種結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)特點比皎彎矩峰值，即成剛架。若使柱向內(nèi)傾，梁向上拱，其彎矩峰值能進(jìn)一步減小，則成拱式剛架。拱的受力狀態(tài)比拱形桁架梁與拱式剛架更好。拱結(jié)構(gòu)的支座水平反力對任一截面都產(chǎn)生負(fù)彎矩，抵消了大部分荷載產(chǎn)生的正彎矩。結(jié)構(gòu)將以受壓為主。拱結(jié)構(gòu)的幾何形狀提高

4、了結(jié)構(gòu)抵抗外荷載產(chǎn)生的彎矩，能覆蓋較大空間。拱結(jié)構(gòu)盡管有許多優(yōu)點，外形也很美觀。由于荷載的變異性，拱截面上有時不可避免的存在彎矩，這就制約了它的跨度進(jìn)一步增加。拱結(jié)構(gòu)是在荷載作用下主要承受軸向壓力， 有時也承受彎矩而有支座推力的曲線或折 線的桿形結(jié)構(gòu)。 拱結(jié)構(gòu)由拱圈（拱券）及其支座組成。支座可做成能承受垂直力、水平 推力以及彎矩的支墩；也可用墻、柱或基礎(chǔ)承受垂直力而用拉桿承受水平推力。拱圈主要承受軸向壓力，較同跨度梁的彎矩和剪力為小，從而能節(jié)省材料、提高剛度、跨越較大 空間，；同時，拱結(jié)構(gòu)也有利于使用磚、石、混凝土等抗壓強度高、抗拉強度低的廉價建 筑材料。中國古代很多橋梁結(jié)構(gòu)都采用拱橋，不僅因

5、為拱所形成的弧形比直粱更穩(wěn)定，另一 方面，也考慮到了它的美觀性，其中最著名的是趙州橋，歷經(jīng)千年風(fēng)雨沖刷和洪水地震考 驗，至今仍發(fā)揮著重要作用。然而自重為 2800噸的趙州橋，根基只是有五層石條砌成高 1.55米的橋臺，直接建在自然砂石上。在自然界之中，由于風(fēng)沙雨水的侵蝕作用，許多山之間會形成天然的拱結(jié)構(gòu)。（二）斗拱:斗拱是我國木構(gòu)架建筑特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由方形的斗、升和矩形的棋、斜的昂成。斗 棋由柱頭的形式變化而來。也是解決出檐的重要手段。其作用：在結(jié)構(gòu)上挑出承重，并將 屋面的大面積荷載經(jīng)斗棋到上，有一定的裝用，又是建筑屋頂和屋身立面上的過渡，作為 封建社會等級制度的象征和重要建筑的尺度衡量標(biāo)準(zhǔn)

6、。增加屋檐寬度、延長滴水距離。承 接部分荷載、均勻傳遞路徑。豐富檐口造型、增添裝飾效果。增強抗震能力、提高安穩(wěn)程度。斗拱可分為：外檐斗拱，內(nèi)檐斗拱，品字科斗拱，隔架斗拱。外檐斗棋從具體部位又 分為柱頭斗棋（柱頭鋪作/柱頭科），（補間鋪作/平身科），轉(zhuǎn)角斗棋（角鋪作/角科）、 平座斗棋等。內(nèi)檐斗拱：是指處在建筑物內(nèi)檐廊及室內(nèi)有關(guān)部位的斗拱。品字科斗拱：常 用在大殿里面金柱部位及某些樓閣上的平座斗拱。隔架斗拱：常用在承重梁與隨梁上下定 檔之間的一種斗拱，一般為單拱結(jié)構(gòu)或二重拱結(jié)構(gòu)。斗拱是中國傳統(tǒng)木構(gòu)架體系建筑中獨有的構(gòu)件。用于柱頂、額防和屋檐或構(gòu)架間，宋 稱為鋪作，清稱斗科，通稱為斗拱?；緲?gòu)造：

7、斗棋是由若干個帶有弧形的棋件，相互垂 直壘疊組拼而成的構(gòu)件。它由斗、棋、翹、昂、升五種基本構(gòu)件所組成。斗：承托第一層 棋件及其以上各層的最底層基座，外形方正，斗面開鑿有十字槽口。開：是一種比斗小的 斗，因舊時量米容器中，大的叫斗，小的叫升，十升為一斗，故清借用此名，稱之為“升”； 宋稱為“斗”。它是坐在棋、翹、昂之兩端，作為承接上一層棋件的基座。棋：是指平行 建筑物正面放置的一種弓形曲木。斗是斗形木墊塊，拱是弓形的短木。拱架在斗上，向外 挑出，拱端之上再安斗，這樣逐層縱橫交錯疊加，形成上大下小的托架。斗拱最初孤立地 置于柱上或挑梁外端，分別起傳遞梁的荷載于柱身和支承屋檐重量以增加出檐深度的作

8、用。唐宋時，它同梁、楊結(jié)合為一體，除上述功能外，還成為保持木構(gòu)架整體性的結(jié)構(gòu)層 的一部分。明清以后，斗拱的結(jié)構(gòu)作用蛻化，成了在柱網(wǎng)和屋頂構(gòu)架間主要起裝飾作用的 構(gòu)件。目前對斗拱的起源有三種說法。 一種認(rèn)為由井干結(jié)構(gòu)的交叉出頭處變化而成； 一種認(rèn) 為由穿出柱外的挑梁變化而成；一種認(rèn)為由擎檐柱演化為托挑梁的斜撐，再演化成斗拱。斗拱，雖然是由力學(xué)原理演變而來的中國古代建筑中的木構(gòu)件。但是，其后來的發(fā) 展更多的是由于美學(xué)的原因。 斗拱是古建筑中的特色構(gòu)件之一，置于梁或闌額與柱交接 處承托梁楊，其形狀宛如雙翼，附于柱頭兩側(cè)，極富裝飾韻味，它有防止立柱與橫梁垂直 相交的傾斜變形，并起到減小梁防跨度和梁柱相

9、接的剪力作用， 可以縮短梁楊的凈跨距離 也用在柱間的落掛下，但是為純裝飾性構(gòu)件，能增加梁頭抗剪能力或減少梁楊間的跨距。 斗拱是一種成熟較晚的構(gòu)件和制式，它的雛形可見于北魏。但是，到了宋代還未正式成為 一種重要的木構(gòu)件。這個時候，它還只是柱上交托闌額的一根拱形橫木，僅起很小的裝飾 作用，并不受人注意。明代之后，才廣泛使用斗拱，它的實用功能逐漸減退，裝飾功能逐漸顯現(xiàn)，并且在紋飾圖案上得到不斷地發(fā)展。到了清代，便十分成熟地發(fā)展成為一種風(fēng) 格獨特的木構(gòu)件，造型豐富多彩，并與斗拱靈巧的結(jié)合，在柱梁之間形成一個華麗 的裝飾體，大大地豐富了中國古典建筑的形式。斗拱為中國古代建筑錦上添花。少林寺的初祖庵，同時

10、運用了柱頭鋪作，補間鋪作，轉(zhuǎn)角鋪作，如下圖所示，多重的 斗拱顯示了其本身的精美與力學(xué)的完美地結(jié)合。中國采用斗拱以平衡建筑的結(jié)構(gòu)，并達(dá)到美觀的效果，在外國的建筑中，也有相同 作用的拱頭，在希臘、羅馬的建筑上有著起裝飾和支撐作用柱頭，由多利克、愛奧尼到科 林斯式柱頭的發(fā)展，逐漸將實用性與美觀性結(jié)合，并且柱身的比例也逐漸美化。與斗拱不 同的是，柱頭是采用圓柱形的結(jié)構(gòu)而斗拱卻以不規(guī)則的角與圓的結(jié)合，拼湊，達(dá)到更好的 支撐效果。中國人信仰“天圓地方”，西方有著他們關(guān)于上帝的傳說。于是，聰明勤勞的古代勞 動人民就在建筑中體現(xiàn)了這一點，穹頂就是最好的例子。中國古代的宮殿、寺廟、住宅等，無論單體建筑規(guī)模大小，

11、其外觀輪廓均由階基、屋身、屋頂（屋蓋）三部分組成：下面是 由磚石砌筑的階基，承托著整座房屋；立在階基上的是屋身，由木制柱額作骨架，其間安 裝門窗隔扇；上面是用木結(jié)構(gòu)屋架造成的屋頂，屋面做成柔和雅致的曲線，四周均伸展出 屋身以外，上面覆蓋著青灰瓦或琉璃瓦。西方人稱譽中國建筑的屋頂是中國建筑的冠冕。石窟屋頂所采用體系結(jié)構(gòu)是使用支柱為基本單元所組成的一種古代高層簡體結(jié)構(gòu)， 這 既爭取了中部空間，便于放置佛像，也提高了抗彎剪能力使塔身堅固，這種結(jié)構(gòu)體系原理 已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)代高層建筑所采納，并被認(rèn)為是高層建筑中抗震性能最好的一種體系。而且， 穹頂?shù)纳隙擞兄赖牡窨?，既體現(xiàn)佛教的神圣又具有美觀的效果建筑、結(jié)

12、構(gòu)形式的發(fā)展遵循同一自然力學(xué)規(guī)律。其中最危險的屬彎矩，因為它和一對力偶矩等效，即拉、壓軸力組成的力偶矩等效。彎矩引起的內(nèi)力在截面中分布不均勻， 靠近中性層的材料不能充分發(fā)揮其力學(xué)性能。一根竹棍，軸向施加拉力或壓力，很難將其 折斷，但如果橫向加力，產(chǎn)生彎矩，則可輕易將其折斷。因此，無論有意識或無意識有理 論或無理論，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的任一截面必須能承受該截面的剪力、彎矩、拉、壓軸力才能 正常工作，這說明建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律一一力學(xué)原理。拱殼從整體看，因其支座水平推力對每一截面產(chǎn)生負(fù)彎矩， 減少了每一截面總的彎矩將彎矩轉(zhuǎn)化成為軸壓力。因此結(jié)構(gòu)跨度可大大增加。古今中外的建筑結(jié)構(gòu)大師都不約而同 地采用了

13、拱、殼結(jié)構(gòu)形式，并創(chuàng)造出許多不朽的建筑精品，形成了一個時代的建筑風(fēng)格， 不論什么形式的結(jié)構(gòu)，其截面上的內(nèi)力如不考慮水平支反力產(chǎn)生的內(nèi)力是一樣的。所不同的是：對拱結(jié)構(gòu)來說，多加了一對水平推力，其他內(nèi)力與簡支梁相同。拱、殼結(jié)構(gòu)雖然可將彎矩減少，因為它是勁性結(jié)構(gòu)，體形已經(jīng)事先確定，而荷載隨時 可變，尤其是活荷載，因此，對拱結(jié)構(gòu)來說，截面上沒有彎矩，只有軸力才是設(shè)計者的最 終追求目標(biāo)。但由于拱結(jié)構(gòu)的特點，這個目標(biāo)不可能完全達(dá)到。拱截面還必須能承受一定 數(shù)量的彎矩、剪力，才能正常工作。古羅馬建筑能滿足各種復(fù)雜的功能要求， 主要依靠水平很高的拱券結(jié)構(gòu)，獲得寬闊的 內(nèi)部空間。公元一世紀(jì)中葉，出觀了十字拱，它覆蓋方形的建筑空間，把拱頂?shù)闹亓考?到四角的墩子上，無需連續(xù)的承重墻，空間因此更為開敞。把幾個十字拱同筒形拱、穹窿 組合起來，能夠覆蓋復(fù)雜的內(nèi)部空間。羅馬帝國的皇家浴場就是這種組合的代表作。建筑、結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，雖然側(cè)重面不盡相同，但都遵循著同一規(guī)律。它們的共同要 求是安全可靠。結(jié)構(gòu)物承受著荷載，外荷載產(chǎn)生支座反力、對每個截面產(chǎn)生剪力、彎矩、 拉、壓軸力、扭矩等。建筑結(jié)構(gòu)