熊文祥

【摘要】建筑工程的安全和穩(wěn)定是依據(jù)建筑力學(xué)原理，每一建筑工程從構(gòu)思→設(shè)計(jì)→實(shí)施→使用都離不開建筑力學(xué)，建筑工程選型、選材、施工方法均需利用建筑力學(xué)原理，而建筑物的各構(gòu)件和材料均需考慮有足夠的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭等各種強(qiáng)度性能指標(biāo)，所以不僅需要建筑力學(xué)熟練的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同樣也需要建筑力學(xué)熟練的現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員指導(dǎo)建筑工人操作，從而確保施工過程順利、建造出安全可靠的建筑物。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)安全；受拉區(qū)；受壓區(qū)；有效高度；彎矩；剪力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.085

隨著我國(guó)建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，建筑科技化日益增強(qiáng)，人們工作生活的科技化依賴越來越多，現(xiàn)建筑力學(xué)計(jì)算以諸多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件為代替（如PKPM等其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件），從此，也有少數(shù)建筑現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員忽視建筑力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)，認(rèn)為建筑力學(xué)是設(shè)計(jì)者的技能。比如：本人一次施工現(xiàn)場(chǎng)檢查隱蔽工程，有一現(xiàn)場(chǎng)施工員問我：“你為什么每次檢查都得強(qiáng)調(diào)頂起并固定支座處的上層鋼筋，這上層鋼筋又不受力”，也見過有些小型工程或農(nóng)房建筑出現(xiàn)懸臂板坍塌或梁、板僅支座處構(gòu)件上方出現(xiàn)裂縫等，其實(shí)，這些都是施工中忽視了受拉區(qū)鋼筋位置，導(dǎo)致構(gòu)件有效高度不足從而產(chǎn)生的缺陷；再比如，有些建筑物坍塌，不是設(shè)計(jì)缺陷，而是施工中不知建筑力學(xué)原理而導(dǎo)致。為此，本人認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員同樣需加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)，應(yīng)該知道建筑物各構(gòu)件受力原理。下面簡(jiǎn)述一些建筑力學(xué)與建筑構(gòu)件受力的最基本常識(shí)。

1、建筑力學(xué)簡(jiǎn)介

眾所周知，建筑力學(xué)分結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)兩大類，結(jié)構(gòu)力學(xué)又分為靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)（動(dòng)力學(xué)一般用于橋梁和承受振動(dòng)力的廠房構(gòu)件等承受振動(dòng)的其它建筑物），靜力學(xué)又分為靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)；靜定結(jié)構(gòu)有三個(gè)約束組成就能使物體處于平衡狀態(tài)，如：簡(jiǎn)支梁板、鉸接點(diǎn)安裝的構(gòu)件、砌體柱墻等；而超靜定結(jié)構(gòu)則需由三個(gè)以上約束組成才能使構(gòu)件處于平衡，如：框架結(jié)構(gòu)、連續(xù)梁板、固定節(jié)點(diǎn)安裝的構(gòu)件等。材料力學(xué)即為材料本身承受能力的物理性能，如：砌體標(biāo)號(hào)和混凝土標(biāo)號(hào)，則分別為砌體、混凝土的抗壓強(qiáng)度；建筑物多數(shù)選用鋼筋混凝土作為承載構(gòu)件，就是利用混凝土抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低，鋼筋抗拉抗壓強(qiáng)度均高，但鋼筋的抗壓截面小，成本高，所以受壓區(qū)利用混凝土抗壓，受拉區(qū)利用鋼筋抗拉，每種材料均有各自的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪等各種強(qiáng)度指標(biāo)；由不同材料組成的構(gòu)件同樣分別有構(gòu)件的各自抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭強(qiáng)度，所以需合理配用。

2、一般構(gòu)件受力形式

（1）樓板是承載人和物體的重量，以及自身重量而產(chǎn)生樓板彎矩和剪力，樓板分單向板和雙向板及懸臂板，單向板即為兩端支座承受或長(zhǎng)寬比大于2的多邊支座板，三周邊以上有支座則為雙向板；單向板有簡(jiǎn)支單向板和連續(xù)單向板，簡(jiǎn)支單向板只有支座間一個(gè)方向的正彎矩和剪力，連續(xù)單向板則有各跨支座間正彎矩、剪力和中支座上方的負(fù)彎矩；雙向板也分單跨雙向板和連續(xù)雙向板，單跨雙向板有縱橫支座間向正彎矩和剪力，連續(xù)雙向板則有各跨支座間縱橫方向正彎矩、剪力和中各支座上方的負(fù)彎矩（如板外邊緣為固定支座，則固定支座上方也會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩）。

（2）獨(dú)立柱只承受梁板或架體傳來的垂直軸向壓力，如為整體柱，柱根部是固定連接，則柱既可承受垂直軸向壓力，柱根部還可承受彎矩和水平剪力；框架柱既承受梁板傳來的軸力，還需上部承受梁傳來的負(fù)彎矩，牽帶柱下部反向彎矩，上下均有剪力發(fā)生。

（3）簡(jiǎn)支梁即為單跨并兩端鉸節(jié)點(diǎn)的梁，簡(jiǎn)支梁承受次梁和樓板傳來荷載及梁上部其它荷載（如砌體墻等），以及自身重量而產(chǎn)生梁的正彎矩和剪力。

（4）連續(xù)梁、框架梁承受荷載基本同簡(jiǎn)支梁，受力后會(huì)發(fā)生梁跨內(nèi)正彎矩和支座上方負(fù)彎矩以及梁剪力。

（5）懸臂梁板為一端固定支座，另一端為自由端，懸臂梁、板只承受負(fù)彎矩和剪力，即上部受拉下部受壓，懸臂構(gòu)件根部彎矩、剪力最大，集中荷載作用點(diǎn)至固定支座段剪力一樣大。

（6）如梁上挑出的垂直懸臂梁板，則垂直懸臂梁板的縱向梁還會(huì)產(chǎn)生扭矩。

（7）桁架或網(wǎng)架總體可承受彎矩和剪力，如桁架或網(wǎng)架為節(jié)點(diǎn)直接承受荷載，則桁架或網(wǎng)架的各桿件只分別承受拉、壓軸力及桿件自重的彎矩剪力。

3、常見的建筑力學(xué)在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

（1）現(xiàn)場(chǎng)施工平面布置與周邊環(huán)境關(guān)系和距離的合理安排；

（2）施工進(jìn)度先后的合理安排；

（3）地基持力層的選定；

（4）混凝土澆筑施工縫的留設(shè)位置、留設(shè)形式；

（5）砌體的抗壓、抗傾覆驗(yàn)算；

（6）基坑壁的圍護(hù)設(shè)置；

（7）樓板面受其它支撐承載力的驗(yàn)算；

（8）施工機(jī)械的安裝及吊裝驗(yàn)算；

（9）模板支撐及拉桿的設(shè)置；

（10）腳手架支撐及拉桿的設(shè)置，挑架及上料平臺(tái)的設(shè)置；

（11）在漏設(shè)方案時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急布設(shè)；

（12）模板、腳手架、支撐、圍護(hù)及選材等方案設(shè)計(jì)。

4、常見的施工現(xiàn)場(chǎng)與建筑力學(xué)相關(guān)出現(xiàn)的質(zhì)量安全問題及簡(jiǎn)單分析

（1）地基的承載力不足上部荷載的承受能力，會(huì)使建筑物產(chǎn)生傾斜、裂縫、甚至倒塌。

（2）懸臂梁或板錯(cuò)放鋼筋位置或上層鋼筋下沉不足有效高度，導(dǎo)致懸臂構(gòu)件上部開裂或坍塌倒掛。

（3）連續(xù)板支座上部鋼筋踩沉或少放，板面平行沿梁或墻裂縫，導(dǎo)致樓板跨中彎曲；樓板除邊跨邊鉸節(jié)點(diǎn)支座外，一般支座上均產(chǎn)生較大負(fù)彎矩，鋼筋下沉就表示構(gòu)件該部位有效高度不滿足。

（4）連續(xù)梁或框架梁支座上部鋼筋少放或綁扎低（綁扎低屬有效高度不足），梁支座上部發(fā)生裂縫，導(dǎo)致梁跨中彎曲，原因同連續(xù)板；兩端上下貫通斜裂縫，裂縫方向上部比下部離支座遠(yuǎn)些，這屬梁抗剪不滿足，鋼砼梁抗剪三要素為截面、箍筋、彎起鋼筋。

（5）雙向板四角上部鋼筋踩沉或少放，樓板角上表面容易出現(xiàn)與縱橫軸線成三角形斜角縫，因?yàn)殡p向板四角的負(fù)彎矩較大，所以設(shè)計(jì)一般會(huì)在雙向板四角增布加強(qiáng)鋼筋。

（6）砼澆筑施工縫裂縫或砼構(gòu)件表面龜裂縫屬溫差引起的裂縫，或施工縫位置設(shè)置不正的構(gòu)件拉力引起裂縫，溫差裂縫屬材料力學(xué)內(nèi)知識(shí)，是因?yàn)轫诺目估Φ陀陧艧崦浝淇s或干濕收縮力導(dǎo)致，所以需合理設(shè)置伸縮縫位置和合理砼養(yǎng)護(hù)，盡量減少砼的拉應(yīng)力。

（7）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件水平桿件坍塌屬受壓區(qū)鋼材截面薄弱或有效高度不足，鋼桿件斷裂屬受拉區(qū)鋼材截面薄弱或接口抗拉能力不足；垂直桿件坍塌屬桿件截面積偏小或桿件長(zhǎng)細(xì)比不足產(chǎn)生坍塌。

（8）桁架坍塌屬受壓桿件截面偏小，下懸斷裂屬受拉桿件薄弱或桿件接口抗拉不足，或桁架間相互水平桿或斜桿連接不牢固。

（9）木梁彎曲或斷裂則為木材品種或截面大小或截面方向不合理，木材品種及截面方向均對(duì)抗彎抗剪有著不同的效果。

（10）模板支撐坍塌，主要是因?yàn)闈仓抛灾睾褪┕ず奢d大于支撐立桿承載力，致使立桿失穩(wěn)，還有澆筑時(shí)必能會(huì)產(chǎn)生水平力，其支撐拉桿或剪刀桿設(shè)置不合理，也會(huì)產(chǎn)生支撐體系失穩(wěn)。

（11）澆筑砼爆模、模板楞或拼模肋彎曲或斷裂均屬澆筑砼向外側(cè)壓力大于模板楞或拼模肋的承載力。

（12）腳手架坍塌一般有架體與建筑物連接不牢固，剪刀斜撐設(shè)置不合理，架體承受荷載超重而導(dǎo)致；挑架坍塌一般有下部挑梁承受的荷載超過挑梁承受能力或挑梁尾端抗傾覆連接件不牢固，還有與建筑物連接不牢固，剪刀斜撐設(shè)置不合理，架體荷載超重均能導(dǎo)致；上料平臺(tái)坍塌有架體承受荷載超重，斜拉桿連接不牢固，下部抗壓水平桿連接不牢固或桿件偏小所導(dǎo)致。

（13）現(xiàn)場(chǎng)施工吊機(jī)（塔吊、垂直運(yùn)輸機(jī)）傾覆、倒塌、斷臂。其中塔吊傾覆有兩種原因，一是塔吊的基礎(chǔ)承載力不能滿足產(chǎn)生不均勻沉降并與建筑物連接桿不牢固，此傾覆為塔吊架體根部；二是塔吊架體不能滿足吊裝物體重量力矩需要，此傾覆應(yīng)是在架體垂直段的薄弱環(huán)節(jié)；斷臂屬于塔吊吊裝物體重量對(duì)塔吊架臂作用點(diǎn)的力矩超出架臂的承載力或超出架臂斜拉桿承受的拉力。垂直運(yùn)輸機(jī)倒塌一般為基礎(chǔ)的承載力不足和架體的纜風(fēng)斜向拉力不滿足或架體與建筑物連接點(diǎn)不牢固。

（14）基坑護(hù)壁、擋土墻的傾覆，均是坑壁土傾覆力矩大樣坑壁圍護(hù)抵抗力矩，坑壁土傾覆力矩需運(yùn)用到土力學(xué)和結(jié)構(gòu)理論力學(xué)原理，各種土及土的含水率力學(xué)指標(biāo)均不一樣。

5、現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)知建筑力學(xué)基本常識(shí)

（1）建筑力學(xué)中的軸力、拉力、壓力、彎矩、剪力、扭矩各自意思和發(fā)生形式；

（2）各受彎構(gòu)件的受拉區(qū)、受壓區(qū)各自位置及分別面積，有效高度位置及高度；

（3）桿件架體三角形布設(shè)穩(wěn)定，平行四邊形布設(shè)不穩(wěn)定；

（4）受彎構(gòu)件截面短向面垂直受力方向的截面布設(shè)抗彎效果更佳，懂得在允許范圍內(nèi)，受彎構(gòu)件的抗壓截面中心和受拉截面中心分別對(duì)向遠(yuǎn)離本構(gòu)件中性軸抗彎效果更佳；

（5）簡(jiǎn)支梁使用“T”形截面、固定節(jié)點(diǎn)支座的梁和柱使用“工”字截面既能滿足受力要求又能節(jié)約材料減少自重的效果；

（6）桁架、網(wǎng)架各桿件在荷載作用下的受力形式；

（7）鋼砼構(gòu)件內(nèi)有效高度不滿足，會(huì)使構(gòu)件抗彎能力減弱。

（8）構(gòu)件正負(fù)彎矩、剪力、扭矩各自發(fā)生形式，最大彎矩和最大剪力及扭矩各自容易發(fā)生位置；

（9）一般集中荷載比均布荷載作用彎矩大，比如：懸臂構(gòu)件集中荷載作用的彎矩M=-pl，均布荷載彎矩M=-gl2/2；簡(jiǎn)支梁集中荷載的彎矩M=pl，均布荷載作用的彎矩M=ql2/8。

（10）一般支座負(fù)彎矩會(huì)大于跨中正彎矩，所以控制負(fù)彎矩受拉件位置必須注重，比如：一根兩等跨梁分別跨中心作用一個(gè)相同集中荷載的正彎矩M=0.156pl、負(fù)彎矩M=-0.188pl；兩等跨梁分別作用均衡均布荷載的正彎矩M=0.07ql2、負(fù)彎矩M=-0.125ql2；一根三等跨梁分別跨中心作用一個(gè)相同集中荷載的正彎矩 M邊=0.175pl、M中=0.1pl、負(fù)彎矩M=-0.15pl，三等跨梁分別作用均衡均布荷載的正彎矩M邊=0.08ql2、M中=0.025ql2、負(fù)彎矩M=-0.1ql2（以上系數(shù)式“-”表示負(fù)彎矩，p表示集中荷載、q表示均布荷載、l表示跨度長(zhǎng)）。

（11）嚴(yán)格控制鄰近深淺基坑施工順序和深淺基礎(chǔ)間距，必須執(zhí)行施工規(guī)范要求先施工深基坑，待深基坑內(nèi)建筑構(gòu)件施工完回填土后方可施工淺基坑上建筑物，否則容易出現(xiàn)淺基坑的泥漿水滲入深基坑，從而降低淺基坑靠深基坑邊地基土層或基坑高低坑壁破壞，導(dǎo)致淺基坑建筑物地基持力層降低產(chǎn)生建筑物傾覆坍塌。

結(jié)語：

建筑力學(xué)在建筑工程運(yùn)用廣泛，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至建筑施工整個(gè)過程均離不開建筑力學(xué)知識(shí)，任一環(huán)節(jié)建筑力學(xué)運(yùn)用不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致人民生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)遭受重大損失。有了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還得有合理的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，因此，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員須心知建筑力學(xué)在建筑工程的重要性，需加強(qiáng)建筑力學(xué)學(xué)習(xí)，豐富建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需分別控制好建筑構(gòu)配件的受拉區(qū)、受壓區(qū)、有效高度均滿足設(shè)計(jì)要求，確保構(gòu)件有足夠的抵抗彎矩、剪力、扭矩發(fā)生強(qiáng)度，注重各建筑材料的各自物理指標(biāo)和適用范圍，熟悉施工規(guī)范，切實(shí)全面考慮組織施工，確保建筑施工過程順利，施工出的建筑產(chǎn)品安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉.淺析建筑力學(xué)在建筑工程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2017年33期.

[2]國(guó)振喜，張樹義主編.實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1：319-322.