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(kāi)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(guò)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(lái)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(wèn)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(jiàn)過(guò)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(lái)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(lái)的軸力，還需上部承受梁傳來(lái)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(wèn)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(kāi)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(guò)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(yǔ)：

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(guò)程均離不開(kāi)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(guò)程順利，施工出的建筑產(chǎn)品安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

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