建筑结构形式发展的力学原理分析

建筑结构形式发展的力学原理分析

汪璇

安徽置地投资有限公司安徽合肥230000

摘要：随着建筑业的发展人们的生活水平也随之水涨船高，从古时的木屋到如今的高楼林立，人们在不断地享受着建筑行业带来的伟岸成果。建筑行业的发展不管方向如何都离不开一个宗旨，那就是以安全为第一要务。而建筑的结构形式必须满足对应的力学原理，才能保证建筑物的稳固与安全。

关键词：建筑结构；形式发展；力学原理

1建筑结构形式的发展过程

我国的建筑结构形式可追逆到五十万年的前旧石器时代，是建筑业的雏形即构木为巢的草创阶段。随着时间的推移人类文明的进步，建筑业也在不断发展的创新，由木结构建筑发展到了以砖石结构为主的新阶段，我国的万里长城就是该阶段的最为主要的代表，以砖、石为主要材料，经千年而不毁，其坚固程度可想而知，被誉为世界八大奇迹之一。建筑行业随着人类文明的发展在不断地进行着质的变化，更加推动了人类经济的发展历程。

2建筑结构形式遵循的自然力学规律

随着社会的发展，建筑结构形式的侧重点不同，但是无论是建筑还是结构都需要遵循力学原理，保证建设和结构的安全。结构物承受着一定的荷载，其在每个截面上都会产生拉、压轴力、剪力、弯矩、扭矩等。弯矩是最为危险的。弯矩和拉、压轴力产生的力偶钜是等效的。弯矩把内力作用到截面上，其内力分布不均匀。弯矩使中性层材料的力学性能得不到充分的施展。例如，一根杆件，给其施加一定的加压力和压力时采用轴向，折断它的可能性很小。但是，采用横向加力时会形成弯矩和剪力，折断杆件就非常容易。因此，建筑结构构建为了能够正常工作，必须要求每个截面承受剪力、拉、压轴力、弯矩。

3建筑结构形式的划分

3.1按材料划分

建筑结构形式按使用材料划分可分为木质结构、混合结构、钢结构钢筋混凝土结构、钢筋混凝土与钢的组合结构。其中，木质结构主要应用于单层建筑中，使用的材料为木制材料。混合结构主要应用于单层建筑和多层建筑，承重部分使用砖石材料，楼顶使用钢筋混凝土材料。钢结构主要应用于工厂房、承重能力强的厂房以及移动房等。其使用的材料主要是钢。钢筋混凝土结构主要应用于高层或者是多层建筑，其使用材料主要是钢筋混凝土。钢筋混凝土与钢的组合结构主要应用于超高层建筑，其使用材料主要有混凝土与钢筋。

3.2按墙体划分

建筑结构形式按墙体划分可分为全剪力墙结构、框架一剪力墙结构、框一一结构、简体结构、框一一支结构、无梁楼盖结构。全剪力墙主要应用于高层以及超高层建筑，其属于建筑结构强度大。框架一剪力墙结构主要应用于高层建筑。框一一结构主要应用于高层和超高层建筑。简体结构主要应用于超高层建筑。框一一支结构主要应用于超高层建筑，其主要材料是钢结构。无梁楼盖结构主要应用于大空间和大柱网建筑。

4建筑结构力学的主要分析方法——最优化理论法阐述

所谓的最优化理论法指的是通过采用数学中的最优化理论法，在此基础上结合大数据信息技术而实现建筑结构力学分析方法。众所周知，在最优化理论法的直接影响下，建筑结构力学分析工作工作人员能够将建筑结构力学分析设计工作由被动设计朝着主动设计来进行调整，而且运用最优化理论法能够使得建筑结构力学分析工作变的更加灵活，从而有效的推动建筑结构力学分析工作的顺利开展。然而与其他建筑结构力学分析方法相比，最优化理论法有着非常严苛的要求，这就使得建筑结构力学分析工作人员在开展建筑结构力学分析工作过程中，尽量确保建筑物能够在最小质量的前提下获取较大的建筑结构刚度。实际上，建筑结构力学分析工作往往会利用最优化理论法展开建筑物剪力墙的最优数量以及最优结构调整布置工作，借助最优化理论法能够获取建筑物剪力墙的最优数量以及最优结构调整布置工作预期的良好成效。

5建筑结构力学的主要分析方法——分区广义变分原理法以及分区混合有限元法阐述

实际上，杂交元和非协调元的成长有效的推动我国力分区广义变分原理法以及分区混合有限元法的研究工作进程，其中清华大学龙驭球教授又在分区混合广义变分原理法的基础上构建了贴合当前建筑结构力学分析需求的分区混合有限元法，这就意味着分区混合有限元法是继位移法以及杂交元法之后新创设的现代建筑结构力学分析方法。众所周知，分区混合有限元法将建筑物按照自身所具备的弹性体划分为势能区以及余能区，其中势能区主要以位移单元为主导，将结点位移作为建筑物结构布局的基本未知量，而余能区则采用应力单元，将应力单元函数视为建筑物结构布局的基本未知量。建筑结构力学分析工作人员在区交界面引入建筑物布局结构的附加能量项，使得附加能量项能够在积分的条件下实现位移以及建筑物结构力的连续条件，切实保证建筑物结构的收敛性，在此基础上将总能量泛函视为驻值来构建一系列的分区混合有限元法基本方程。分区混合有限元方法的应用，能够具有较高的建筑物结构适应性以及实现灵活分区的目的，建筑结构力学分析工作人员在使用混合有限元方法开展建筑结构力学分析工作过程中，能够有效增强建筑物结构布局的收敛性，比如说建筑结构力学分析工作人员在计算框支剪力墙角区应力集中这些较为困难的建筑结构力学分析问题中能够利用分区广义变分原理法以及分区混合有限元法获得准确的计算结果，因此，可预见分区广义变分原理法以及分区混合有限元法的应用范围将会变得越来越广。

6力学在建筑结构中的应用

框架结构被广泛应用于现代建筑中，它是以钢筋混凝土为主要原材料，基本结构由梁、柱和基础组成。在现代建筑设计中，出现了许多抗震设计，而利用框架抗震设计的原则就是强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件。强柱弱梁用以提髙结构的变形能力，防止建筑物在强烈地震作用下发生倒塌事故；强剪弱弯是防止梁和柱在弯曲之前先出现剪切破坏，提高建筑物自身的抗震性能；强节点弱构件是增大节点核心区的组合剪切力。设计师在建造每一个建筑物前，都要经过多次的实验验证和安全评估，避免出现诸多安全事故。但是仍有许多建筑物违背了力学原理，在２００８年汶川大地震中被摧毁的高层建筑中，我们发现许多建筑物由于设计时的不合理导致重心提髙，增大了建筑物摇摆的扭矩力，从而产生了巨大的剪切力导致高层建筑物底端的支撑柱发生断裂的情况。所以当地震和大风等灾难来临时，我们就会发现力学在建筑中的重要性。

结束语

建筑结构形式的发展告诉我们不管使用什么样的建筑形式都需要受到力学原理的支撑，最终目标都是保证建筑的安全性。在新时代背景下发展的建筑结构形式同样离不开力学原理的运用，力学原理是一切建筑的理论与基础，只有将力学原理科学合理的使用，才能保证建筑工程的安全性。

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