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1建筑结构发展与力学关系研究邓绍云1,2（1.新疆应用职业技术学院新疆奎屯833200；2.新疆永振建筑安装工程有限责任公司新疆乌苏833000）摘要：本文作者对建筑结构的发展进行了阐述，也对建筑力学的发展进行了分析，阐述了建筑结构发展与建筑力学发展的协同关系，指出了建筑结构的发展是基于建筑力学发展的基础上，建筑结构发展的需求对建筑力学的发展提出了要求和研究方向；同时建筑力学的发展为新型建筑结构的创新、开发与利用提供可能。文章最后指出了目前建筑结构和建筑力学研究的不足处和日后研究发展的方向。关键词：建筑结构；建筑力学；发展；关系1.前言力是物体对物体的相互作用，力有三个要素：大小、方向、作用点。同时由力的定义，我们能理会到作用力与反作用力的存在。力学非常广泛，有众多门派和分支，内容浩瀚繁杂，而与建筑结构密切联系的是力学中的一个分支——建筑力学。建筑力学研究建筑结构及其构建在荷载作用下维持平衡的条件以及承载力的计算问题，为建筑结构提供理论基础。建筑结构是房屋建筑中能承受荷载并能起骨架作用的体系，为建筑提供合乎使用的空间。二者相辅相成，缺一不可，两者相互促进，互助互利。建筑力学的发展促进建筑结构的完善，新的建筑结构的提出，又为建筑力学的研究领域开拓一片天地。建筑结构是建筑构件作为受力体，是建筑物用来承受外部荷载的主体，其研究的问题是其反力与内部应力如何与外力达到平衡。建筑首先必要解决的问题是受力的问题。人们定义解决这个问题的学科称为建筑力学。建筑力学有可以分为：静力学，材料力学和结构力学三大力学体系。建筑力学是讨论和研究建筑结构及构件在荷载和其他因素影响的工作状况，也就是建筑的强度，刚度，稳定性。在荷载的作用下，承受荷载和传递荷载的建筑结构会引起周围的物体对其作用，同时结构本身受荷载作用而产生变形，并且存在着破坏的可能性，变形和破坏的可能性与结构本身的属性即结构的承载能力有很大关系。结构的承载能力的大小是与组成结构的构件的材料，截面的几何尺寸，受力性质，工作条件和制造情况等因素有关。然而这些关系都可以由力学关系式通过计算而得以解决。2.建筑工程的发展概述建筑工程的发展经历了一个很漫长的历史过程，自从人类进入文明历史以来，建筑工程开始了其发展历程。而对建筑工程的发展起关键作用的，首先是作为建筑物基础的建筑材料，其次是随之发展起来的设计理论和施工技术。建筑材料的开发利用与研究提供了建筑结构的突飞猛进发展的平台，早期人们用土和木作为建筑基金项目：基金项目：新疆应用职业技术学院教改科研项目JG201216；自治区教改科研项目ZJ12-018；自治区高职精品课程《工程测量》建设项目，南京水利科学研究院开放基金201101。作者简介：邓绍云(1971-)，男，江西吉安人，博士，博士后，副教授，高级工程师；主要从事水利土木建筑与环境等方面的研究。电子信箱：nhrisydeng@126.com；676997121@qq.com。2材料盖房，只能做到夯土为台，掘土为穴，以木做梁、以木为柱，大兴土木的由来也就为此，建筑物无论从实用和功能上将都是十分有限。后来出现了砖和瓦等人工建筑材料，使建筑冲破了天然建材的束缚，得到了历史性的发展，当然这个发展的历程很长。砖和瓦具有比土更优越的力学性能，可以就地取材，而又易于加工制作，使得建筑物的高度和规模得到了进一步的发展，房屋和城防工程的建设才得以实现。偶后的原始人工胶结材料的发明与应用，才使得万里长城等宏伟的建筑物得以屹立于地。这一建材第一次飞跃持续两千多年，在这段漫长的时间里，砖和瓦一直是重要建筑材料，在建筑历史上刻下了辉煌的成绩，为人类文明作出了伟大的贡献，甚至在目前还被广泛采用。钢材的出现与应用是建材的第二次飞跃。十七世纪70年代开始使用生铁、十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是钢结构出现的前奏。从十九世纪中叶开始，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出高强度钢丝、钢索。于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。除应用原有的粱、拱结构外，新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广，出现了结构形式百花争艳的局面。建筑材料的发展之所以能够带动、推动建筑的发展，是因为新开发使用的建材的较之原先建材的良好的力学性能。砖和瓦的抗压性能、抗折性能、抗弯性能、抗剪性能较之钢材差得远、但较之泥土来说又要好得多。建材的性能制约着建筑物的结构和规模，建筑物跨径从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米，直到现代的千米以上。于是在大江、海峡上架起大桥，在地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔，甚至在地面下铺设铁路，创造出前所未有的建筑奇迹。建筑的发展需要，促进了建材的发展，建材的发展进一步推动建筑力学的发展。它们是环环相扣，相互关联。为适应钢结构工程发展的需要，在牛顿力学的基础上，材料力学、结构力学、工程结构设计理论等就应运而生。施工机械、施工技术和施工组织设计的理论也随之发展，建筑工程从经验上升成为科学，在工程实践和基础理论方面都面貌一新，从而促成了建筑结构更迅速的发展。水泥的发明与应用，可谓是建筑业中建材的第四次飞跃。在人类早期的建筑活动中，石灰、石膏是最早被使用的胶凝材料。古今中外，在漫长的历史长河中，这种胶凝材料得到了极为广泛的应用，直到罗马水泥和波特兰水泥问世，才逐渐被取代。二十世纪初，随着现代建筑工程的发展，石膏、石灰、波特兰水泥等胶凝材料已不能满足特种工程的需要，必须开发研究新胶凝材料。一方面通过调整波特兰水泥的矿物组成，获得了一大类具有特殊性能的特种水泥，如快硬水泥、低热和中热水泥、抗硫酸盐水泥、油井水泥、膨胀水泥、白色水泥、彩色水泥和抗菌水泥及道路水泥等等。另一方面通过改变原材料种类，研制成功了铝酸盐、硫铝酸盐和氟铝酸盐等系统的特种水泥，如快硬水泥、型砂水泥、耐火水泥、防辐射水泥和防藻水泥等。此外，还对磷酸盐、水玻璃、镁质和硫磺等气硬性胶凝材料进行研究，并取得成功。一大批新无机胶凝材料的产生，促进了建筑工程的发展。同时因为混凝土和钢材的线胀系数基本相等，从而钢筋混凝土结构问世大大促进建筑业的腾飞，钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力，混凝土承担压力，发挥了各自的优点，克服各自的缺点。导致建筑行业突飞猛进的发展，大跨建筑结构建造实施风气云涌。钢筋混凝土结构的发展也进一步促进了建筑力学的大发展，计算建筑力学、弹性力学、塑性力学等等力学的分支，迅猛地得到3发展。二十世纪三十年代开始，出现了预应力混凝土。预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大高于钢筋混凝土结构，因而用途更为广阔。建筑工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的建筑工程结构形式，使建筑工程产生了新的施工技术和结构设计理论。这是建筑工程的又一次飞跃发展。二十世纪五十年代，钢结构的开发利用于建筑业，是建筑工程史上现代化建筑飞跃发展。钢材的良好力学性能在建筑工程崭露头角，采用钢结构的建筑物具有良好的延性、抗震性能、塑性和韧性，可以实现大跨度、轻质高强，能减轻对地基处理压力，可以实现高层建筑，目前广泛应用于低层、多层建筑钢结构和轻钢结构；高层及超高层钢结构；大跨度钢结构；轻钢建筑在一些发达国家已被广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑。所谓轻钢是指以彩钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，以焊接建筑钢结构。由于人类文化生活不断提高，对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高。而钢结构本身具备自重轻，强度高，施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。目前世界上最高，最大的结构采用的都是钢结构，而历届奥运会的场馆也多采用钢结构。巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系，它是为了满足特殊功能或综合功能而产生的。它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能，是一种很有发展的结构。大跨度或较大跨度大都采用钢结构，当然也有用“膜”完成的，但充气膜由于一些缺点近年来很少用，张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。大跨度钢结构多用于多功能体育场馆，会议展览中心，博览馆，候机厅，飞机库等。建筑材料的开发利用直接刺激建筑结构的创新和开发与利用，而建筑材料的开发与利用离不开材料力学的发展。复合材料的开发与利用于建筑，是建筑结构发展的里程碑，是当今建筑结构的新潮流和发展顶峰。复合材料充分利用各自复合成分材料的优点，克服各自复合成分材料的弱点，优势互补，有机结合，使得原有单一材料无法实现成为可能。于是使得建筑结构有了空前的发展规模和进度，超大跨度、超高层、超强功能的建筑结构应运而生。如薄壳结构、索膜结构、筒体结构、网罩结构、网壳结构、框筒结构、板壳结构等等，这些新型的建筑结构无不包含有建筑力学发展的新知识、新理论、新方法和新的技巧。3.建筑力学的发展建筑力学基于古老的牛顿经典力学，包括有理论力学、材料力学和结构力学三大部分，应建筑工程实践要求而产生，也随建筑工程的发展而发展。建筑工程及技术的发展离不开作为其理论基础的力学的进步，同时，建筑工程技术的发展又不断向力学提出挑战，有力地推动了建筑力学的发展。由于现代结构工程的计算需要，弹性理论的发展在结构理论上有突出成就。进入二十世纪后，板壳理论得到了广泛研究；实验力学应运而生，使得理论分析的结果有了验证的可能，这是在先前时代是不可能的，只有在现代科技发展、物质条件完好的今天才称为可能。现代结构工程重大事故的多次出现，引起对弹性稳定问题和脆性材料的断裂问题的重视。科研工作者对各种结构构件，乃至结构体系的稳定理论进行了大量研究，原有的线性稳定理论已经不适合现代建筑工程结构发展的需要，于是现代非线性稳定理论产生，并有了巨大的发展。建筑结构一旦荷载过大可能导致构件断裂的可能，对断裂问题的研究，诞生了一猛门新兴学科——断裂力学；由此展开的对延性材料的试验与研究，在原有的三大强度理论的基础上各种强度理论都得以4发展。塑性理论在上个世纪四十年代又被重视起来，塑性理论的部分应用，促使按极限状态设计方法成为可能，塑性理论在将来的设计中必将有更为广阔的前景。建筑工程实际中，单纯的静力作用是不存在的，动力作用才是永恒的话题，动力的分析较之静力分析复杂得多，从而建筑结构的发展呼吁结构动力学的诞生与发展，使得结构工作者对各种动荷载，包括地震、风、及撞击荷载的作用的研究成为可能，为结构高度及跨度的突破提供了必要条件。工程事故的出现及动荷载的研究，表明结构配件在反复荷载作用下存在疲劳损伤积累的问题，连续损伤力学也成为固体力学一个新的分支学科。工程实际非常复杂，原有的力学分析是建立在理想的概化模式上，但随着历史的发展，这种理想的概化模式已经过于粗糙和人为理想、虚无化，无法解决工程实际问题，从而计算力学在这种呼吁下得到诞生和发展。随着计算机技术的发展，各种计算方法和计算技巧不断推陈出新。有限元法、有限差分法、有限体积法、边界元法、无界元法、粒子法等等理论的产生与成熟，导致计算结构力学的兴起，成为现代力学的一个重要分支，为日趋复杂化的建筑工程及技术的发展创造了有利条件。随着不稳定的动荷载作用逐步得到考虑并付之于行动，许多柔性结构在建筑结构的形式中出现，大位移非线性分析技术也得到了广泛研究，静力稳定分支及动力稳定分支混沌问题也引起了科研工作者的重视，为进一步分析结构实际状态下实际的工作性能提供了方法与技巧。建筑工程实际中的荷载作用的随机性，特别是分析风荷载、地震荷载和人群荷载及施工误差等因素对结构的统计影响，统计结构力学、随机结构力学，包括随机有限元理论、随机结构动力学等是目前研究的一个新热点。整个建筑物是个系统，各组成构件是个统一的整体，随着认识的逐步深入，以系统的观点研究整个建筑可靠度，乃至一个建筑群、一个城市的防灾系统可靠度也已成为可能，并取得一定的研究成果。随着对结构理论分析的系统化、精确化，计算工作量急剧增加，并行计算理论亦将成为大型结构系统必要的分析工具。4.存在的问题与展望综上所述，建筑结构和建筑力学是协同发展，相互联系，互助互利，建筑结构的发展离不开建筑力学的发