材料力学论文

材料力学在生活建筑学的运用摘要：近年来随着建筑高度的不断增加,建筑类型与功能愈来愈复杂,结构体系更加多样化,高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的重点和难点之所在。现就高层建筑结构的设计要点谈谈材料力学在建筑学中的应用。关键词：高层建筑；材料力学；结构体系；结构分析一：材料力学知识简介与生活中的运用材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。材料力学是所有工科学生必修的学科，是设计工业设施必须掌握的知识。学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。1.研究材料在外力作用下破坏的规律；2.为受力构件提供强度，刚度和稳定性计算的理论基础条件；3.解决结构设计安全可靠与经济合理的材料力学基本假设；人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中，需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究，这就催生了材料力学。运用材料力学知识可以分析材料的强度、刚度和稳定性。材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量，优化机构设计，以达到降低成本、减轻重量等目的。在材料力学中，将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性体。但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料，所以需要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。材料在机构中会受到拉伸或压缩、弯曲、剪切、扭转及其组合等变形。根据胡克定律，在弹性限度内，物体的应力与应变成线性关系。材料力学是现代科学科学技术迅速发展的理论事实基础，20世纪以前推动近代科学技术与社会进步的工具。蒸汽机、内燃机、铁路、桥梁、船舶、兵器等都是材料力学知识的累积应用和完善的基础上逐渐形成和发展起来的。20世纪产生的诸多高新技术，如高层建筑，大型桥梁海洋石油钻井平台，精密仪器，航空航天器材，机器人，高速列车以及大型水利工程等许多的重要工程更是在材料力学指导下得以实现并不断发展完善的。20世纪产生的另一些高新技术，如核反应堆工程、电子工程、计算机工程学。虽然是在其它基础学科指导下产生和发展起来的，但对材料力学都提出了各式各样的，大大小小的问题。材料力学知识的广泛运用，使生活中各行业得到迅速发展。如冶金行业、物料运输行业、珠宝鉴定行业、工程设计行业、科研行业、技术研究与开发行业、交通质量安全检测行业等多个领域，材料力学知识的广泛运用，使现实世界发展迅速并使各个行业得到提升。尤其是在生活建筑学方面得到了广泛地运用和发展，并得到了人们的深刻认识和体会。人们逐渐认识到材料力学知识在生活中的重要性。材料力学在生活建筑学的运用就是一个很好地体现。下面就仔细谈谈材料力学在生活建筑学的运用和对人们日常生活的影响。二：生活中高层建筑的结构设计特点1．结构内力与变形随着建筑物高度的增加,水平荷载作用下的结构侧向变形迅速增大,结构顶点侧移与建筑物高度的四次方成正比。所以对于高层建筑,结构侧移已成为设计中的关键因素,这是因为:高层建筑的使用功能和安全与结构侧移的大小密切相关。结构在阵风作用下的振动加速度超过0.015g时,就会影响楼房内使用人员的正常工作与生活,而振动加速度的大小与侧移幅值的大小有关。过大的侧向变形会使高层建筑的隔墙、围护墙以及饰面材料开裂或损坏。高楼的重心位置较高,过大的侧移会使P-△效应产生较大的附加应力,甚至因侧移与应力的恶性循环而导致建筑物破坏。由此可见,在高层建筑结构设计时,不仅要求结构具有足够的强度,还要求结构具有足够的抗拉刚度,使结构在水平、荷载作用下产生的侧移被控制在要求的限度之内。在高层建筑中,由于层数多、荷载大,柱的轴向变形也大,而在各柱间产生差异轴向变形,将使梁中的弯矩增大,因此在结构分析时必须考虑柱的轴向变形,这也是与一般建筑结构分析的不同之处。2．高层建筑结构的刚性与柔性多层和高层建筑结构都要抵抗竖向及水平荷载作用,但是在高层建筑中,要使用更多的材料来抵抗水平作用,抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。在地震区,地震作用对高层建筑的威胁更大,地震灾害将会给人民的生命财产造成巨大损失,所以抗震设计必须更加重视。在高层建筑结构抗震理论和设计方法的发展过程中,存在着结构刚与柔的争议,有的认为结构柔性一些好,因为从抗震规范规定的地震反应谱曲线可以清楚地看出,场地确定后,结构愈柔性,自振周期愈长,地震影响系数α越小,结构所受到的地震作用就愈小,因此在结构抗震设计时,可将结构设计得柔性一些,以减小作用于结构上的地震力,从而可以用较少的材料,抗御较强的地震,既合理又经济。但有的则认为地震区的高层建筑结构应该刚性一些,使结构具有较大的承载能力,可以抵抗较强的地震,而且非结构部件的连接构造简单,又不易破坏。从过去的地震经验也可以看出,对于一般构造的高层建筑结构,刚性比柔性好,刚性结构破坏较轻,而且由于地震时的结构变形小,隔墙、围护墙及装饰等非结构部件将得到保护,破坏也会减轻。对于柔性结构,由于地震时将产生较大的层间侧移,不但主体结构破坏较重,非结构部件也将大量遭到破坏,造成很大经济损失,甚至有时还会危及人身安全,所以高层建筑结构应采用刚度较大的抗。三：生活中高层建筑的结构体系1．剪力墙体系当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力均匀,整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系,能建高度大于框架或框架—剪力墙体系。2.框架—剪力墙体系当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架—剪力墙体系。在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。框架—剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架—剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。3.简体体系凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系,包括单简体、简体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。四：生活中高层建筑结构设计经常注意的问题(从材料力学知识方面考虑)1．结构的规则性问题新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动,新规范在这方面增添了相当多的限制条件,例如:平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,而且,新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此,结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意,以避免后期施工图设计阶段工作的被动。2．结构的超高问题在抗震规范与高规中,对结构的总高度都有严格的限制,尤其是新规范中针对以前的超高问题,除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑,因此,必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为B级高度建筑或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中,出现过由于结构类型的变更而忽略该问题,导致施工图审查时未予通过,必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况,对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。3．嵌固端的设置问题由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防,嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此,在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面,如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题,而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。4．短肢剪力墙的设置问题在新规范中,对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙,且根据实验数据和实际经验,对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制,因此,在高层建筑设计中,结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙,以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。五：材料力学的四种假设在高层建筑结构分析方面的体现。材料力学的四种假设：一是连续性假设，二是均与性假设，三是各向同性假设，四是小变形假设。下面就谈谈材料力学这四种经典假设在高层建筑中的运用。1．弹性假定目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下,结构通常处于弹性工作阶段,这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时,高层建筑结构往往会产生较大的位移,出现裂缝,进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的,应按弹塑性动力分析方法进行设计。2．小变形假定小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P-△效应)进行了一些研究。一般认为,当顶点水平位移与建筑物高度H的比值△/H1/500时,P-△效应的影响就不能忽视了。3．刚性楼板假定许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大,而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度,简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算简体结构提供了条件。一般来说,对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。六：材料力学在生活建筑学中的运用在人类社会的发展过程中，材料力学的知识涉及人类发展的诸多领域。在建造房屋时，人们要考虑到各种梁、柱的受力及所用材料所能承载的负载大小的问题；在制造飞机、轮船时，人们要运用流体力学和材料力学方面的知识，以在增大运输工具载重量的同时减少发生危险的机率；而在资源采集的过程中，也少不了力学方面的知识，利用渗透力学可以提高地层中石油的开采率，地质力学则与石油、天然气的运移有着密不可分的关系；在与每个人的生命息息相关的生物医学方面，也涉及到很多力学问题，骨骼的强度和刚度、关节软骨中的应力是骨力学的内容，血液在血管里面流动则是流体力学的发展应用。材料力学与其他力学知识的综合运用，使各种事情变得便利，同时给人们的生活提供了很大的帮助，尤其在建筑学方面做出了极大的贡献，如材料强度的鉴定，稳定性的探究，刚度的鉴定，材料型号的选取，材料许用应力的确定，材料延性、材料塑性的判定、符合高分子材料在现实生活中的具体运用形式和运用领域等。材料力学的知识极富，在生活的各方面运用广泛，使各个行业迅速发展，同时也对科学研究与技术开发也提供了必要的了理论基础。科技发展的最终目的就是服务于人类社会的建设，力学作为一门基础的学科，它也不能游离于社会发展之外。事实业确实如此，在人们的生活中，大到高楼大厦，小到人们的日常用品，每一件东西或多或少都跟理学里面的东西有着密不可分的关系，换句话说，人们每天都在跟力学打交道。这也是力学作为一门基础的自然科学所应具备的特点。力学的发展带来了工程技术的进步，同时工程技术的发展也带动了力学向着更为全面、更为精密、更为深入的方向发展。材料力学在服务于社会的同时也在不断地完善着自己（虽然材料力学的知识已经有了很完善的发展体系，但作为科学的一部分，人们知识阶段性的逼近于真理）。在人们不断地探索新领域的过程中各种各样的新的力学问题也涌现出来。比如喷气式飞机的出现大大提高了飞机的飞行速度，缩短了不同城市之间来往的时间，但是要获得很大的速度，就必须使飞机在高程空气稀薄的地方飞行，为了保证乘客的舒适，就必须在飞机舱内保证一个高于地面气压但低于高空气压的压强，这样在飞机起飞或者降落的过程中就使整个机壳一会受到拉力，一会受到压力，材料就是在这种循环往复的荷载中受到了破坏。于是就产生了一个新额力学概念——材料疲劳破坏的概念。这个新问题的出现就促使了疲劳和断裂力学的迅速发展。材料力