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古建筑中的力学原理应用物理0901班马海军200948410104摘要：建筑是美力学渗透于生活的各处的结晶。拱桥中的力学原理，就是通过一个水平推力把原本由荷载产生的弯矩应力变成压应力或者大部分转化为压应力。斗拱是我国木构架建筑特有的结构构件，由方形的斗、升和矩形的栱、斜的昂成。穹顶是用木结构屋架造成的屋顶，屋面做成柔和雅致的曲线，四周均伸展出屋身以外，上面覆盖着青灰瓦或琉璃瓦。西方人称誉中国建筑的屋顶是中国建筑的冠冕关键字：古建筑、拱桥、斗拱、穹顶一、概述古代建筑，不仅造型精美，而且合理利用力学，完美地诠释了力与美结合产生的建筑外观多样性与结构的合理性。歌德曾经说过：“建筑是凝固的音乐，音乐是流动的建筑。”由此可见，建筑是美力学渗透于生活的各处的结晶。拱是自然界中常见的一种结构，拱桥，斗拱，穹顶……各种拱结构遍及生活各处，本论文主要通过拱的叙述来讲示其中的力学原理。二、内容（一）拱桥：拱桥中的力学原理，就是通过一个水平推力把原本由荷载产生的弯矩应力变成压应力或者大部分转化为压应力。拱区别于梁的最大之处就是存在水平推力，如果这个水平推力和支座反力以及作用于其上的荷载的合力的作用点和方向刚好通过拱的轴线,这样的拱就是合理拱，而这样的拱是只受压应力的.如果两者不是重合的，那就存在一定的弯矩应力。但一般情况在拱的弯矩小于相同跨度的梁的.我们知道石材的抗压性能是很好的，而抗拉性能是较抗压性能差的，通过拱的原理,就可以把抗压性能好的石材在抗压方面的特点充分利用,并且能避免抗拉方面的不足.。简单来说，就是把竖直向下纵向力，通过桥身内力转化为横向的力，最后作用到两边的基体，所以拱桥的选址要求桥的两边基础扎实。简支梁弯矩最大(使用于小跨度结构)；伸臂梁、多跨静定梁、三铰刚架、组合结构弯矩次之(使用于较大跨度结构)；桁架、具有合理拱轴线的三铰拱弯矩为零(使用于大跨度结构)。从梁到拱的发展过程，是一个不断探讨不断改进的过程，梁是用与荷载横交的直杆来承荷，且靠杆的抗弯、剪能力把力传到两端，可谓之“担”。当跨度大时，为充分发挥材料潜力，可将梁截面加高并敞开，而成为桁架梁。若取其上、下弦所围外形为M图形时，受力状态最好，则成拱形桁架梁。以下两例均为排架，当将梁端与柱刚接以减少弯矩峰值，即成刚架。若使柱向内倾，梁向上拱，其弯矩峰值能进一步减小，则成拱式刚架。拱的受力状态比拱形桁架梁与拱式刚架更好。拱结构的支座水平反力对任一截面都产生负弯矩，抵消了大部分荷载产生的正弯矩。结构将以受压为主。拱结构的几何形状提高了结构抵抗外荷载产生的弯矩，能覆盖较大空间。拱结构尽管有许多优点，外形也很美观。由于荷载的变异性，拱截面上有时不可避免的存在弯矩，这就制约了它的跨度进一步增加。拱结构是在荷载作用下主要承受轴向压力，有时也承受弯矩而有支座推力的曲线或折线的杆形结构。拱结构由拱圈（拱券）及其支座组成。支座可做成能承受垂直力、水平推力以及弯矩的支墩；也可用墙、柱或基础承受垂直力而用拉杆承受水平推力。拱圈主要承受轴向压力，较同跨度梁的弯矩和剪力为小，从而能节省材料、提高刚度、跨越较大空间，；同时，拱结构也有利于使用砖、石、混凝土等抗压强度高、抗拉强度低的廉价建筑材料。中国古代很多桥梁结构都采用拱桥，不仅因为拱所形成的弧形比直粱更稳定，另一方面，也考虑到了它的美观性，其中最著名的是赵州桥，历经千年风雨冲刷和洪水地震考验，至今仍发挥着重要作用。然而自重为2800吨的赵州桥，根基只是有五层石条砌成高1.55米的桥台，直接建在自然砂石上。在自然界之中，由于风沙雨水的侵蚀作用，许多山之间会形成天然的拱结构。（二）斗拱：斗拱是我国木构架建筑特有的结构构件，由方形的斗、升和矩形的栱、斜的昂成。斗栱由柱头的形式变化而来。也是解决出檐的重要手段。其作用：在结构上挑出承重，并将屋面的大面积荷载经斗栱到上，有一定的装用，又是建筑屋顶和屋身立面上的过渡，作为封建社会等级制度的象征和重要建筑的尺度衡量标准。增加屋檐宽度、延长滴水距离。承接部分荷载、均匀传递路径。丰富檐口造型、增添装饰效果。增强抗震能力、提高安稳程度。斗拱可分为：外檐斗拱，内檐斗拱，品字科斗拱，隔架斗拱。外檐斗栱从具体部位又分为柱头斗栱（柱头铺作/柱头科），（补间铺作/平身科），转角斗栱（角铺作/角科）、平座斗栱等。内檐斗拱：是指处在建筑物内檐廊及室内有关部位的斗拱。品字科斗拱：常用在大殿里面金柱部位及某些楼阁上的平座斗拱。隔架斗拱：常用在承重梁与随梁上下定档之间的一种斗拱，一般为单拱结构或二重拱结构。斗拱是中国传统木构架体系建筑中独有的构件。用于柱顶、额枋和屋檐或构架间，宋称为铺作，清称斗科，通称为斗拱。基本构造：斗栱是由若干个带有弧形的栱件，相互垂直垒叠组拼而成的构件。它由斗、栱、翘、昂、升五种基本构件所组成。斗：承托第一层栱件及其以上各层的最底层基座，外形方正，斗面开凿有十字槽口。升：是一种比斗小的斗，因旧时量米容器中，大的叫斗，小的叫升，十升为一斗，故清借用此名,称之为“升”；宋称为“斗”。它是坐在栱、翘、昂之两端，作为承接上一层栱件的基座。栱：是指平行建筑物正面放置的一种弓形曲木。斗是斗形木垫块，拱是弓形的短木。拱架在斗上，向外挑出，拱端之上再安斗，这样逐层纵横交错叠加，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，分别起传递梁的荷载于柱身和支承屋檐重量以增加出檐深度的作用。唐宋时，它同梁、枋结合为一体，除上述功能外，还成为保持木构架整体性的结构层的一部分。明清以后，斗拱的结构作用蜕化，成了在柱网和屋顶构架间主要起装饰作用的构件。目前对斗拱的起源有三种说法。一种认为由井干结构的交叉出头处变化而成；一种认为由穿出柱外的挑梁变化而成；一种认为由擎檐柱演化为托挑梁的斜撑，再演化成斗拱。斗拱，虽然是由力学原理演变而来的中国古代建筑中的木构件。但是，其后来的发展更多的是由于美学的原因。斗拱是古建筑中的特色构件之一，置于梁或阑额与柱交接处承托梁枋，其形状宛如双翼，附于柱头两侧，极富装饰韵味，它有防止立柱与横梁垂直相交的倾斜变形，并起到减小梁枋跨度和梁柱相接的剪力作用，可以缩短梁枋的净跨距离。也用在柱间的落挂下，但是为纯装饰性构件，能增加梁头抗剪能力或减少梁枋间的跨距。斗拱是一种成熟较晚的构件和制式，它的雏形可见于北魏。但是，到了宋代还未正式成为一种重要的木构件。这个时候，它还只是柱上交托阑额的一根拱形横木，仅起很小的装饰作用，并不受人注意。明代之后，才广泛使用斗拱，它的实用功能逐渐减退，装饰功能逐渐显现，并且在纹饰图案上得到不断地发展。到了清代，便十分成熟地发展成为一种风格独特的木构件，造型丰富多彩，并与斗拱灵巧的结合，在柱梁之间形成一个华丽的装饰体，大大地丰富了中国古典建筑的形式。斗拱为中国古代建筑锦上添花。少林寺的初祖庵，同时运用了柱头铺作，补间铺作，转角铺作，如下图所示，多重的斗拱显示了其本身的精美与力学的完美地结合。中国采用斗拱以平衡建筑的结构，并达到美观的效果，在外国的建筑中，也有相同作用的拱头，在希腊、罗马的建筑上有着起装饰和支撑作用柱头，由多利克、爱奥尼到科林斯式柱头的发展，逐渐将实用性与美观性结合，并且柱身的比例也逐渐美化。与斗拱不同的是，柱头是采用圆柱形的结构而斗拱却以不规则的角与圆的结合，拼凑，达到更好的支撑效果。（三）穹顶中国人信仰“天圆地方”，西方有着他们关于上帝的传说。于是，聪明勤劳的古代劳动人民就在建筑中体现了这一点，穹顶就是最好的例子。中国古代的宫殿、寺庙、住宅等，无论单体建筑规模大小,其外观轮廓均由阶基、屋身、屋顶(屋盖)三部分组成：下面是由砖石砌筑的阶基，承托着整座房屋；立在阶基上的是屋身，由木制柱额作骨架，其间安装门窗隔扇；上面是用木结构屋架造成的屋顶，屋面做成柔和雅致的曲线，四周均伸展出屋身以外，上面覆盖着青灰瓦或琉璃瓦。西方人称誉中国建筑的屋顶是中国建筑的冠冕。石窟屋顶所采用体系结构是使用支柱为基本单元所组成的一种古代高层简体结构，这既争取了中部空间，便于放置佛像，也提高了抗弯剪能力使塔身坚固，这种结构体系原理已经被发现代高层建筑所采纳，并被认为是高层建筑中抗震性能最好的一种体系。而且，穹顶的上端有着精美的雕刻，既体现佛教的神圣又具有美观的效果建筑、结构形式的发展遵循同一自然力学规律。其中最危险的属弯矩，因为它和一对力偶矩等效，即拉、压轴力组成的力偶矩等效。弯矩引起的内力在截面中分布不均匀，靠近中性层的材料不能充分发挥其力学性能。一根竹棍，轴向施加拉力或压力，很难将其折断，但如果横向加力，产生弯矩，则可轻易将其折断。因此，无论有意识或无意识有理论或无理论，建筑结构构件的任一截面必须能承受该截面的剪力、弯矩、拉、压轴力才能正常工作，这说明建筑结构发展的内在规律——力学原理。拱壳从整体看，因其支座水平推力对每一截面产生负弯矩，减少了每一截面总的弯矩。将弯矩转化成为轴压力。因此结构跨度可大大增加。古今中外的建筑结构大师都不约而同地采用了拱、壳结构形式，并创造出许多不朽的建筑精品，形成了一个时代的建筑风格，不论什么形式的结构，其截面上的内力如不考虑水平支反力产生的内力是一样的。所不同的是：对拱结构来说，多加了一对水平推力，其他内力与简支梁相同。拱、壳结构虽然可将弯矩减少，因为它是劲性结构，体形已经事先确定，而荷载随时可变，尤其是活荷载，因此，对拱结构来说，截面上没有弯矩，只有轴力才是设计者的最终追求目标。但由于拱结构的特点，这个目标不可能完全达到。拱截面还必须能承受一定数量的弯矩、剪力，才能正常工作。古罗马建筑能满足各种复杂的功能要求，主要依靠水平很高的拱券结构，获得宽阔的内部空间。公元一世纪中叶，出观了十字拱，它覆盖方形的建筑空间，把拱顶的重量集中到四角的墩子上，无需连续的承重墙，空间因此更为开敞。把几个十字拱同筒形拱、穹窿组合起来，能够覆盖复杂的内部空间。罗马帝国的皇家浴场就是这种组合的代表作。三、总结建筑、结构形式的发展，虽然侧重面不尽相同，但都遵循着同一规律。它们的共同要求是安全可靠。结构物承受着荷载，外荷载产生支座反力、对每个截面产生剪力、弯矩、拉、压轴力、扭矩等。建筑结构几十万年的发展都遵循着一条力学主线——将弯矩转化为轴力。此主线客观上贯穿了数十万年建筑结构形式的发展。力学建立以前，经过漫长的发展过程,人类不自觉地使用了这条规律，掌握了它，自觉地加以运用，就能大大加速建筑科学技术的发展。总之，建筑、结构发展是相互依托，相互促进，相互支持，达到共同进步。在目前大跨结构、大覆盖面积、高层、超高层结构成为建筑结构主流的今天，一旦掌握了建筑结构发展规律，即可灵活运用此规律主动地开发出合理的新结构。参考文献：《中国古建筑二十讲》楼庆西著《建筑力学》赵毅力著