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各類房屋都有自己的特點,一個初學者對于一般常見的房屋結構及其計算原理,我認為首先要掌握兩大特點:
1、一般的工業與民用房屋的上部結構可以看成是由許多桿件連接起來的(這里暫且撇開薄殼、板、網結構),尤如小朋友搭積木那樣。大家只要留神觀察一下未完工的工業廠房,對這點就可明白了。
2、不包括房屋在內的各種建筑結構是不動的、不能動的,即使不得已時,也只允許有非常非常微小的移動或轉動。
第一個特點告訴我們,我們常見到的許多房屋屬于桿件體系,所有荷載是由各種桿件(如述檁條、桁架梁、柱等)承擔的,由上至下最終傳到地基。至于居住房屋常見的磚混結構,只不過是用承重墻來代替柱子的功能而已。同時它還告訴我們,為什么我們在計算時可以用簡單的直線條來代替真實的粗壯的梁、柱和桁條。并且我們總是將本來是立體的房屋,簡化為平面來設計計算,因為這樣就可以大大簡化了計算工作量和許多困難,對于桿件體系在精度上的要求可以得到保證。此外,這也是我們在各門結構課中,總是先從單個基本構件(梁、柱等)設計入手的重要依據。
第二個特點告訴我們必須牢記和掌握力的平衡問題。對于建筑結構而言,不論是單個構件或是整個結構物,都始終處于平衡狀態。因此,在本專業不論是在三大力學課中還是各門結構課中,廣泛地使用了X=0,Y=0,M=0,三大平衡方程,它們的物理意義是:所有力在X軸方向投影的代數和等于零;所有力對任意一點的力矩之和等于零。三者都是等于零,就是說沒有任何的移動或轉動,桿件或整個結構保持平衡狀態,否則就不平衡,不平衡就要發生移動或轉動,這是我們禁忌的,也是不允許的。再就單個桿件來說,如果外力超過了它本身的內力(抗力),這就發生了不平衡,那就會導致桿件的失穩或破壞。平衡問題,對建筑結構來講至關重要,必須牢記和掌握。
前面講過,三門力學課是建筑結構課的理論基礎。必須努力學習。三門力學彼此聯系,又各有分工。
理論力學是研究物體運動一般規律的學科,即研究在力的作用下,物體運動狀態的變化,而平衡是其中的特殊形式,但對于建筑結構而言卻又最為重要。理論力學一般分為靜力學和運動學兩大部分,靜力學就是研究物體在力作用下的平衡規律。至于運動學則是研究物體的運動形式和規律的,運動學對以后學習結構動力學和結構抗震很有用處。
材料力學的主要內容是研究桿狀構件在拉壓、剪切、彎曲、扭轉等作用下桿件的內力和位移的問題,材料力學與理論力學的主要區別在于理論力學只講力和力作用下的運動(包括平衡),不涉及物體的強度和應力問題,而材料力學則主要研究了桿件的強度問題,因此,有的外文書直名為“材料強度學”。
至于各門結構課,則是在數學力學的基礎上,聯系到實際材料和真實構造以及加工制造等問題,進行實際的計算和設計。
鋼筋混凝土結構是由復合材料(混凝土和鋼筋)組成的結構物,在國內外應用最為廣泛,因此它是工民建專業的主要課程。磚石結構是研究由磚或石砌成砌體結構的計算理論問題的,在當前民用建筑中有很大的實用意義。到于鋼結構,由于鋼材質地均勻,故最符合力學的分析計算,并且鋼材強度高,所以鋼結構自重輕,桿件的尺寸小,最宜建造高層建筑和大型建筑。但由于價格高,目前國內還不能廣泛應用。
這里要特別提一下地基基礎問題,因為它是設在地面以下的結構物,承擔所有上部結構傳來的荷載,故稱為下部結構。由于它周圍的介質是土壤,故先要學習土力學。很多人只注意看得見的上部結構,不重視下部結構,要知在房屋建筑中,地基基礎是很費工和費錢的,一般民間建筑,基礎資金要占到20%,到于高層建筑和大型建筑所占比例更高,對基礎的設計要求也更高,所以這門課與其他結構課一樣,非常重要。
四、講求學習法
對于學習方法,古往今來不知有多少名人、學者講了多少哲理和具體的方法。誠然,這些來自前人的成功經驗值得我們今天學習和借鑒,但也應該結合我們所學專業的特點以及各人的自身特點來靈活應用。因此,結合工民建專業自學考試的這個特點,提出以下的參考意見。
1、要緊緊圍繞教學計劃和教學大綱進行學習。建筑結構工程內容極為深廣,即使是某門課的某一部分,國內外的文獻資料也浩如瀚海。因此對于一個初學者來說,首要的是掌握最主要的基本知識,這就要根據教學計劃和各課大綱循序漸進。教學計劃規定了這個專業的必修課程,而教學大綱規定了這個專業的必修課程,而教學大綱則規定了每門課必須學習和掌握的主要內容。當然,計劃中的15門課,并不能包括建筑結構的全部領域,況且科學在不斷發展,新的學科層出不窮,因此教學計劃給出的是根據我國當前實際,對自學考試的基本要求,掌握了這些基本要求,進一步深造也是可以的。
2、反復學習,處理好局部與整體。我們認識事物,常常是從特殊到一般,但要對事物本質的更深入的理解,還必須要有從一般回到特殊的這一反復,初學一門學科,最容易犯的毛病是常常對單個公式、計算方法的推導下了功夫,而忽略了它的具有普遍意義的物理概念;對個別章節弄懂了,但忽略了各個章節之間的關聯。因此學到最后,往往感到學到的知識是零碎的,甚至是零亂的,缺少一個完整的、邏輯性的總概念。因此,我們在學習的同時,要反反復復,既要重視對一個公式一條定理的理解,也不能忽略對整個學科乃至整個專業的了解和認識。
3、要多做習題。搞工程的,總離不開計算和繪圖,因此學習各門工程學科,不能滿足于看懂書本,還必須加強實際的運算訓練!皩W而不思則罔”,做習題,就是促使你思考問題,訓練你解決問題的思維方法和運算能力。
4、適量閱讀參考書。各門課都規定了教材,這自然是必讀的,但還應適量的看些參考書。因為每本書、每個作者都有自己的風格和特色以及習慣的語言文字,你對教本中某些問題可能理解不了的但看看別的書,也許可能會有啟發,所以適量看點參考書,會幫助你加深理解,開闊思路。讀參考書不一定象學習教材那樣逐章逐句地學,而是可以根據你的需要有選擇的去閱讀。
5、注意實踐。提出這個問題,可能引起同志們的意見,因為自學考試,根本沒有試驗室,教學計劃也把教學實踐排在第15門,平時哪有什么實踐機會。我認為這個意見有點片面。因為它忽略了社會這個實驗室。當前的大好形勢,到處的施工現場,為我工民建專業創造了最廣闊、最方便的實踐場地,即使在不大的城鎮里,只要你留意,可以在一個很短的時間內見到從開挖到地基到房屋結頂的全部過程。因此你只要帶著問題,無論是測量的、制圖的、材料的、力學的或結構的,去細心觀察,虛心請教,你定能有所受益。所以,我們應該充分利用社會上的基本建設增加我們的感性認識,學好我們的專業。
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