建筑材料与建筑结构形式的相关

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摘 要:土木工程结构要解决的根本问题是工程安全,使结构能够抵抗各种自然或人为的作用.材料是土木工程的物质基础.而材料的选择和数量的确定是结构设计最重要的内容.关 键 词:工程材料;工程结构;发展;古代土木工程;近代土木工程;现代土木工程工程材料与土木工程一样,是一门古老的学科,伴随着人类历史的发展,绵延千年至今,大致经历了古代、近代和现代三个阶段.而工程结构的发展与人类科学技术的进步,特别是与建筑技术和工程材料有密切关系.古代,物质匮乏,技术落后,人类茹毛饮血;在旧石器时代(约170万年前至公元前8000年),人类居于天然洞穴;中石器时代(约公元前8000年至公元前6000年),地穴建筑出现;新石器时代(约公元前6000年),半地穴建筑出现;公元前5000年,地面建筑,干栏式建筑出现.古代土木工程的发展缓慢,究其主要原因没有理论基础,材料一般采用天然材料,尤其是当地的天然材料,如泥土、砾石、树干、树枝、竹、茅草、芦苇等,后来发展到土坯、石材、砖、瓦、木、青铜、铁及混合材料如草筋泥、混合土等.在古代的一些文化遗址中发现,其房屋采用木骨泥墙结构――如从西安半坡遗址中,可以看出,原始社会的地面建筑由墙体、屋顶两部分组成,墙体为木骨泥墙结构,屋顶由构架和木柱支撑.约公元前2000年,相当于夏代时期,出现了夯土的城墙.两周时期开始有了烧制的瓦,战国时期的墓葬中发现了大尺寸的空心砖.在欧洲,大约8000年前已开始采用晒干的砖(土坯);大约5000年到6000年前开始开凿自然石砌筑房屋;采用烧制的砖亦有3000年的历史.在漫长的人类历史长河中,我们中华民族的建筑体系是木构架制,即用木梁、木柱做成承重骨架,用木制斗拱做成大挑檐,回壁墙体都是自承重的隔断墙――类似于我们今天的钢筋砼框架结构.由此,在古代乃至近现代,在我国大部分地区的农村、城镇,受工程材料的限制,数千年我们的老百姓,一直居于土――木结构,砖木结构的房屋中.在青海玉树大地震中,那些土木、砖木结构的房屋基础都倒塌了,说明其强度、刚度、稳定性相对较差.但于我,从小生于土坯房中的我,对其有着深厚的情谊和深深的眷恋,虽然条件差,但其冬暖夏凉,类似于陕北的窑洞――我想这也是主席喜欢它的主要原因.而对于古代的桥――木桥,石板桥、石拱桥等.尤其是石拱桥――如赵州桥,其用材简单,石条、竹筋等,受力合理,充分发挥石材抗压的特性,让人叹为观止,让世界都为之惊奇.充分体现了我国古代劳动人民的勤劳和智慧.在国外,建筑于公元前2700年至公元前2600年的埃及帝王陵墓建筑群――吉萨金字塔群,其中以古国王第四朝法老胡夫的金字塔最大.该塔塔基正方形,每边长230.5米,高约146米,用230万余块巨石砌成.经历了5000年风雨仍屹立于泥罗河畔;其主材是石材.故在阿拉伯世界里流传着这样的话语:“人是怕时间的,时间却怕金字塔”.而在公元532年至公元537年间建造的今土耳其、伊斯坦布尔的索菲亚大教堂为砖砌穹顶(圆形球壳),直径30余米,穹顶高50多米,穹顶支撑在大跨砖拱和用巨石砌筑的巨型柱上(7m×10m),――砖石拱券结构.西欧各国以意大利比萨大教堂和法国巴黎圣母院为代表的教堂建筑,都采用了砖石拱券结构.由此不论中国或是外国,在古代虽无理论指导工程实践,凭经验建造,但古代不乏伟大的土木工程,而这跟古人的聪明和智慧有关,让人不禁浮想联翩,――如都江堰水利枢纽工程,它是世界上最长的无坝引水枢纽工程从公元前256年至公元前251年修完,一直沿用至今,灌溉着一千多万亩土地,使成都平原成为“天府之国”,这不能说不是奇迹啊!近代的土木工程的时间跨度为17世纪中叶至20世纪中叶的300年间.西方文明的兴起,土木工程从设计理论,材料科学和工程实践都经历了飞速发展.设计理论的建立,发展也促进材料科学的发展.1824年,英国人阿斯普丁利用波特兰的火山灰发明了水泥――波特兰水泥,并注册专利.1850年开始生产,水泥的发明使土木工程进入混凝土材料时代.1859年,冶金学家贝塞麦发明了转炉炼钢法,使钢材得以大量生产,并用于土木工程.1867年,法国人莫尼埃用铁丝加固砼制成花盆,并把这种方法推广到工程中,从此钢筋砼材料形成并广泛应用于土木工程.成为土木工程中最为重要的材料之一.1886年美国人杰克逊首先应用预应力砼制作建筑配件,后又用它制楼板.1930年法国工程师弗涅希内将高强钢丝用预应力砼,解决了砼因徐变造成预应力完全丧失的问题.从此,预应力砼在土木工程中得到广泛应用.由于材料技术的不断发展和进步,我们建筑工程的结构也不断发展和前行.根据我们所使用的材料,土木工程建构可以分为为土――木结构,砖木结构、木结构、砖混结构、砼结构、钢结构、混合结构等.而工程材料是土木工程的物质基础,既决定了结构物的安全性能,也决定了结构物的造价.土木工程材料种类繁多,一般按化学成分通常分为非金属材料和金属材料.而非金属材料又分为无机材料(如天然石材、烧土制品、胶凝材料、砼、砂浆、硅酸盐制品、炭化制品、保温材料、玻璃等)和有机材料(如植物材料,胶结材料.保温材料,涂料,塑料等),金属材料又分为黑色金属(如碳素钢、合金钢)和有色金属(如铝及其合金等).根据材料的使用性能,土木工程材料又可分为结构材料和功能材料两大类.我们土木工程专业主要关心的是结构材料.结构材料的主要作用是承受各种力的作用,故要求它们具有良好的力学性能.那么,什么又是结构呢?简单讲就是受力的骨架,是由许多构件或配件组成.比如:我们把房屋比做一个人,它的布局,外形设计和艺术处理相应于人的容貌,气质及穿着打扮,由建筑师负责完成;它的内部结构好比人的骨架,由结构工程师完成;它的给水排水、供热通风和电气等设施如同人的器官、神经;由设备工程师完成.而我们的建筑结构工程师在进行结构设计时,要完成以下几方面的工作:选用合理的结构体系和结构形式,确定房屋所承受的荷载,并合理地选用结构材料;解决好结构承载力,变形、稳定、抗倾覆等技术问题;解决好结构的连接构造和施工方法等问题.而这一切都离不开材料技术的支持.如果没有发明水泥,就不会有砼,也不会有砼结构(如:框架结构、剪力墙结构、框架――剪力墙结构、高耸结构等);如果没有发明转炉炼钢法,钢材就不会大量用于建筑工程结构,也许就不会有如埃菲尔铁塔和今日之许多的铁索桥(大跨度的).但是,对于建筑工程材料,我们首先应该掌握其性能,诸如重量、强度、变形等.尤其是其力学性能――抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等.材料是脆材料还是塑性材料.这些性能决定着材料的选用.比如钢筋砼这种材料,是由砼和钢筋复合而成,它们为什么能很好的在一起工作,究其主要原因是:其一砼和钢筋之间有很好的粘结力,也即我们习惯称的握裹力;其二,砼与钢筋的膨胀系相近,使其在受温度作用时,不致产生内应力.关键是我们利用了砼和钢筋这两种材料性能的优点.砼抗压强度还可以,而钢筋的抗拉强度较高.使用时将钢筋置于结构或构配件受拉位置,充分发挥材料的力学性能.使结构或构配件能安全可靠,且经济合理,何乐而不为!社会在进步,时代在发展.在今日这个即时通讯时代,科学技术的发展一日千里,人民的物质文化生活水平日益提高.人们开始注重生活的质量,由此引发一系列社会问题.现在,提倡低碳生活,要求我们节约能源、资源,注重保护环境,创造和谐的社会,我们建筑业首当其冲.我们土木工程的发展虽然很快,但是其耗费大量的资源,尤其是不可再生资源,诸如砂、石、粘土等.粘土的烧土制品,虽然在砌体结构中发挥着很大的作用,易于就地取材,价格低廉,施工方便,保温隔热及耐火性能好的优点,但因其强度低导致结构笨重,且黏土砖与农田争地,在我们国家逐渐被限制使用.水泥的生产排放大量的废气,占世界总量的50%,钢材的生产亦是如此.那么,在建筑业中如何实出低碳实在是值得探讨,如发展轻质高强的新型材料,研究新的结构,新的技术等.现代土木工程,始于20世纪中叶,随着第二次世界大战结束,战后经济的发展,为我们土木工程的发展创造了极好的契机.工程规模不断扩大,逐渐向大型化方向发展,结构自重明显减轻材料耗费不断下降,经济效益显著提高.兴建了许多高层、超高层建筑,大跨度建筑,特长的海底遂道,高耸结构等大型工程.高层建筑如台北101大楼,高508米,曾是世界最高的建筑;吉隆坡的石油双塔大厦,高450米;其中上海金茂大厦高420.5米,曾是我国最高的建筑物.采用砼和钢材的组合结构,共88层.用外伸木桁架连接砼核心筒和外侧8个巨型组合柱(截面从1.5m×4.9m变到1m×3.5m).高层建筑是城市中经济繁荣和社会进步的重要标志.其结构形式一般采用框架结构,剪力墙结构体系;框架――剪力墙体系,筒体结构体系(包括框筒结构、筒中筒结构、束筒结构、巨型结构).材料的进步,结构的发展,人类社会的前进,经济的飞速发展,人口日益增多,使我们的建筑向空中发展,越建越高,那么就要求与之匹配的结构和材料.材料的强度、力学性能、结构必须具有良好的承载能力,抵抗变形,抵抗侧移的性能.而巨型结构具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能.大跨度房屋结构形式有网格结构(平面的称为网架结构、曲面的称为网壳结构),藻壳结构、悬索结构、膜结构,张弦梁结构,为大空间,大跨度建筑提供了很好的结构形式.但其离不开建筑材料的支持.总结总之,土木工程结构受材料所影响,我们要充分发挥材料的性能和作用,在保证结构安全的前提下实现最经济的建造,因此,材料的选择,数量的确定是土木工程设计中必须解决的问题.参考文献[1]《建筑材料》第三版高琼英武汉理工大学出版[2]《工程结构设计原理》四川大学出版社[3]《建筑施工》上海出版社[4]《施工技术》北京施工技术出版社[5]《房屋建筑学》中国建筑业出版社第四版


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