建筑结构与材料及其力学特性初探

谭楚琰

摘要  随着建筑行业的不断发展，代表建筑学顶尖水平的超大型、超高难度建筑工程应运而生，与之相关的建筑结构与建筑材料科学也广受关注。论文对建筑工程上常见的建筑结构形式在不同荷载下的力学问题进行了分析，并对结构中常用材料的力学特性进行了讨论。

关键词 建筑结构;建筑材料;荷载;力学特性

随着国家城市化建设进程的不断推进，我国农村城镇化建设步伐一直保持着向前高速发展的态势，这使得城市的地理空间不断扩大，城市生活圈、功能圈辐射范围也向更偏远的村镇覆盖。借着国家基础设施建设高速发展的契机，我国的建筑行业最近几年呈井喷态势成长，一方面适应国家建设的需求，另一方面推动国家经济的快速增长。与此同时，代表建筑行业顶尖水平的各类极具代表性的建筑工程也随着建筑行业的发展应运而生，包括举世闻名的三峡大坝工程、全球最长的跨海大桥（港珠澳大桥）、世界第一高桥（北盘江大桥），等等。

建筑行业的飞速发展最根本的依赖是建筑结构形式和建筑材料的不断创新发展。然而，不管是古建筑还是最新的各类建筑工程，最重要的承载以及传力构件仍然是最基本的梁、柱等结构形式，而构成这些基本结构的材料主要包括钢筋、水泥、木材等;此外，一些新型的结构形式如空腹钢架、空间桁架、膜结构以及新材料如复合材料等也有一定的应用。本文将对典型的建筑结构和建筑材料开展研究，主要探讨其力学特征问题，并对其在建筑工程上的应用进行简单总结。

一、建筑结构的力学问题

建筑结构主要由柱、梁、板等组成，具有一定的空间功能，能承受荷载、温度变化、基础沉降等各种因素。建筑结构应具有安全性、适用性、耐久性等特点，也即是说，结构在施工、使用过程中遇到各种荷载作用时首先能保持结构的整体稳定性而不倒塌，其次结构应在使用环境下在设计使用年限范围内不会出现影响结构功能的损伤。

建筑结构形式众多，主要包括砌体结构、墙板结构、框架结构、剪力墙结构、壳体结构、悬索结构、网架结构、膜结构等，下面对不同结构的力学问题进行简单分析。

砌体结构常见于建筑的墙、柱、基体、隧道等，主要承受结构的自重;砌体结构受垂直方向的载荷，因此砌体结构具有良好的抗压性能;然而，由于砖、石与砂浆之间的粘接力较弱，砌体结构的抗拉、抗剪、抗弯及抗震性能都很差。墙板结构由墙体和楼板组成，常用于居住建筑中;墙体是其主要承重结构，能承受垂直方向的重力荷载以及突发的地震荷载等。框架结构是梁和柱组成的承重体系，主要承受水平和垂直方向的荷载;框架结构侧向刚度小，其结构类似于竖向的悬臂剪切梁，受水平荷载或地震荷载时上层结构会出现较大水平位移，因此不能用于高层建筑。

剪力墙结构的受力形式与框架结构类似，主要承受竖向和水平荷载;不同之处在于剪力墙中采用了钢筋混凝土墙板，增加了墙面内的刚度，能承受各类荷载引起的内力，这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙结构的受力形式主要为剪力或弯矩荷载，荷载的来源是结构底部受地基约束作用而结构上端受风载等水平荷载，约束和荷载形成一对剪力，同时上端的水平荷载会使得墙体发生弯曲效应，因此，墙体上的内力是剪应力和弯曲正应力的组合。

壳体结构中壳层的厚度远小于其余两个尺寸，其受力形式为外部荷载作用于壳体表面，壳体上的应力主要为拉、压应力，壳体结构为空间曲面结构，具有良好的空间传载性能，其刚度大、承载能力高。网架结构主要由杆件构成，杆件之间通过节点连接，能承受水平和竖直方向的荷载，也能承受风载、地震荷载等，具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点;由于杆件结构主要承受轴向载荷，作用于结构上的弯矩通常由节点承担。悬索结构主要承受拉伸荷载作用，结构内部主要为拉应力，常采用钢丝束、钢丝绳等抗拉性能好的材料，主要用于桥梁、大跨度高层建筑等，以减小桥面或屋面构件的跨度并降低这类构件的弯曲内力。悬索结构刚度小，采用加筋或双层结构能提高其刚度。膜结构起源上世纪中期，工程实践中得到应用的膜结构主要包括气膜结构、张拉膜结构等;气膜结构主要承受自重和外部荷载，承载能力来自于膜面内外空气压力差;张拉膜结构中的柔性钢索承受拉力，保持结构的稳定性。

二、建筑材料的力学特性及其应用

建筑材料的种类繁多，分类依据主要有结构性的、功能性的以及专用的几类，其中结构材料在建筑结构中占有决定性的地位，主要应用于各类建筑结构中承受各种形式的荷载作用，确保建筑结构的施工及使用安全性，这类材料具有强度高、耐久性好、环境适应性好的特点。主要包括钢材、混凝土、木材、竹材、石材、复合材料、膜材等。

根据《材料力学》的知识，对于所有材料，材料的强度和刚度必须关注，然而，对于不同材料，关注的内容又有所不同。對于钢筋这类塑性材料，关注的重点是材料的屈服强度;而对于石材这类脆性材料，关注的重点是材料的抗拉强度;而对于复合材料，关注的力学特性参量又有所不同。

建筑用钢材包括钢结构用和钢筋混凝土用两类，结构用钢材主要为普通低碳钢和合金钢，钢筋混凝土用钢材相对于结构用钢，多了一道冷拔加工工序。对于普通低碳钢，由其拉伸力学特性知道，材料的屈服强度是材料是否发生塑性形变的分界线，材料在设计时所依据的准则也是以屈服强度为准;而采用冷拔工艺加工的钢材，材料的屈服强度会得到显著提高，此时材料的塑性变形能力被大大减弱。钢筋混凝土结构中的钢材由于更关注材料的更大的屈服强度而不关注其塑性特性，所以采用冷拔钢材。由于使用环境的影响，钢筋锈蚀不可避免，研究表明锈蚀后材料的屈服强度和弹性模量都有一定程度的降低。

混凝土是一种复合材料，由水泥等胶凝材料与砂、石等骨料经过充分搅拌形成，这类材料具有良好的可塑性和耐腐蚀性。混凝土硬化后其抗压强度、轴向抗拉强度、弯曲抗拉强度、劈裂抗拉强度等是其最重要的力学特性参数，此外，衡量弹性变形的弹性模量、持久荷载作用下的松弛效应等也是其广受关注的力学特性。

木材是一种历史悠久的建筑材料，由于其具有拉伸强度和弯曲强度高、弯曲模量大等优异的力学性能，且具有易加工、容易从自然界获得等特点，在我国以及世界的建筑史上占有重要地位。日本2016年公布的各省厅公共建筑木材使用量较2015年增加了58.8%，而计划于2019年竣工的世界上最高的木建

筑（35层楼高）是Michael绿色建筑公司为巴黎设计的Baobab建筑。

竹材是我国特有的一种绿色环保的建筑结构材料，被认为自然界中效能最高的材料，具有非常优异的力学性能，其抗拉强度是木材的大约2倍左右，抗压强度是木材的约1.5倍，且高于普通钢材的强度。竹材是一种纤维材料，其良好的力学特性主要是沿着纤维轴向的，包括顺纹抗拉、抗压强度和弹性模量、抗剪强度等。由竹材制备的胶合板、层压板、复合板等适合用于建筑结构中的梁、板、柱、墙体等结构构件

石材主要分为天然石材与人造石材两类，其耐火性与耐久性能好，常用于构造重要的或具有纪念意义的建筑物。吸水率低的石材的抗压强度较高，易于加工，被广泛用于砌体结构，也是古老建筑结构的重要材料之一。

复合材料是由两种或两种以上的材料根据功能要求复合而成的材料，建筑结构上使用的复合材料种类较多，如钢筋混凝土材料、夹心墙板等，而钢筋混凝土材料用于制造主要的承力结构。复合材料在正常使用荷载以及地震、火灾等特殊环境下的強度、刚度、韧性等力学特性参数是重要的评价指标。

膜材主要采用高分子聚合物，其在自然环境的日照、雨淋以及温度等影响下，会出现物理化学性能的退化，从而其力学性能也会发生显著变化。衡量膜材力学特性的基本强度指标包括膜材的抗拉强度及断裂伸长率、撕裂强度以及膜片与膜片的连接强度等;膜材料的弹性模量、剪切模量等与材料力学特性相关的材料常数也是研究关注的重点。

三、结语：

建筑结构与建筑材料相互依存，各种形式的建筑结构需要建筑材料来制造和填充，而建筑材料需要依附于特定的建筑结构才能发挥其效用。建筑结构形式的创新和发展离不开材料科学技术的创新和发展，它们共同推动着建筑科学的不断进步。

参考文献：

[1]泷口克已. 基本建筑结构力学[M]. 科学出版社， 2009.

[2]张伟平， 商登峰， 顾祥林. 锈蚀钢筋力学性能研究现状分析[J]. 工业建筑， 2005， 35（z1）：706-709.

[3]姜福田. 混凝土力学性能与测定[M]. 中国铁道出版社， 1989.

[4]黎姣. 木材在中国当代建筑中的应用[D]. 同济大学， 2008.

[5]单炜， 李玉顺. 竹材在建筑结构中的应用前景分析[J]. 森林工程， 2008， 24（2）：64-67.

[6]张伟平， 商登峰， 顾祥林. 锈蚀钢筋力学性能研究现状分析[J]. 工业建筑， 2005， 35（z1）：706-709.

[7]李阳. 建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用[D]. 同济大学， 2007.

[8] https：//baike.baidu.com/