冯维明

1. 力学在建筑设计中的应用 建筑中的力学问题 工程力学系 冯维明

2. 高层建筑的抗震问题 建筑中的重心问题 建筑材料的使用问题 建筑结构中的稳定性问题 建筑结构中的预应力问题 本次讲座将介绍如下几个方面问题

3. 世界高层建筑简介

4. 摩天大楼诞生于19世纪八十年代的美国芝加哥，54.9米高共十层楼的“芝加哥家庭保险大厦”被公认为世界第一座摩天大楼，芝加哥家庭保险公司大厦建于1883－1885年，这座楼由威廉·勒巴隆·詹尼设计，共10层，高55米，是世界上第一幢按现代钢框架结构原理建造的高层建筑，开摩天大楼建造之先河。主要目的是为了缓解城区用地紧张，促进商业发展。摩天大楼诞生于19世纪八十年代的美国芝加哥，54.9米高共十层楼的“芝加哥家庭保险大厦”被公认为世界第一座摩天大楼，芝加哥家庭保险公司大厦建于1883－1885年，这座楼由威廉·勒巴隆·詹尼设计，共10层，高55米，是世界上第一幢按现代钢框架结构原理建造的高层建筑，开摩天大楼建造之先河。主要目的是为了缓解城区用地紧张，促进商业发展。

5. 然而，不到120年，世界各地的摩天大楼早已一次次挑战了人们对高度的承受力。然而，不到120年，世界各地的摩天大楼早已一次次挑战了人们对高度的承受力。 约帝国大厦始建于1930年3月，是当时使用材料最轻的建筑，建成于西方经济危机时期，成为美国经济复苏的象征，如今仍然和自由女神一起成为纽约永远的标志。曾为世界第一高大楼和纽约市的标志性建筑。帝国大厦是一栋超高层的现代化办公大楼，它和自由女神像一起被称为纽约的标志。地上建筑有381米高的帝国大厦，自1931年以来，雄踞世界最高建筑的宝座近半个世纪之久。此大厦在美国经济最萧条，最不景气的时候，以仅仅410天的时间建成。也可算是建筑史上的奇迹。

6. 1973年以411米的高度、110层的美国世贸中心刷新了世界建筑新的高度。1973年以411米的高度、110层的美国世贸中心刷新了世界建筑新的高度。

7. 2004年台湾101大厦以508米的高度再度刷新世界建筑新的高度。

8. 2010年迪拜哈利法塔以828米，163层的高度雄踞了世界第一高楼的宝座，这是人类史上第一座超过600米的摩天大楼。2010年迪拜哈利法塔以828米，163层的高度雄踞了世界第一高楼的宝座，这是人类史上第一座超过600米的摩天大楼。

9. 2012年麦加皇家钟塔饭店完工，其中最高的一栋高度达601米，超越台北101大厦，称为全球第二高的建筑，更坐拥其它许多头衔，包括世界最高的饭店、世界最高的钟塔、世界最大钟面，世界最大的楼板面积。2012年麦加皇家钟塔饭店完工，其中最高的一栋高度达601米，超越台北101大厦，称为全球第二高的建筑，更坐拥其它许多头衔，包括世界最高的饭店、世界最高的钟塔、世界最大钟面，世界最大的楼板面积。

10. 高层建筑的抗震 马来西亚石油双塔 上海金茂大厦和环球金融中心

11. 广州中信广场大厦 美国西斯摩尔大厦

12. 台湾101大厦 世界最高的建筑迪拜塔

13. 世界上目前已建成的超高层建筑排名

14. 高层建筑的抗震问题

15. 超高层大厦究竟能建多高？ 即不是设计者的胆量问题 也不是施工上的能力问题 是什么呢？是力学问题！首当其冲是其抗震性能和抗风性能。 地面无震动在正常风速的作用下，400米高的建筑摆幅超过1.5米，其实越在高空，风速越大。 如何解决此类问题呢？

16. 台湾101大厦建筑高度508米，地上101层，地下3层。台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，为了兴建台北101，这个建筑的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101两大建筑所需克服的问题。台湾101大厦建筑高度508米，地上101层，地下3层。台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，为了兴建台北101，这个建筑的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101两大建筑所需克服的问题。

17. 因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．台北101设置了“调和质块阻尼器”，是在88-92楼层挂置一个重达680吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃幅。因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．台北101设置了“调和质块阻尼器”，是在88-92楼层挂置一个重达680吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃幅。 当然，这个钢球的重量以及垂挂高度是经过严格计算的。瞧！问题解决了。没有这个装置，任何设计都是徒劳的。

18. 建筑中的重心问题

19. 意大利比萨城大教堂的独立式钟楼由于地基不均匀和土层松软而使塔身向东南倾斜，成为闻名世界的比萨斜塔。人们一直为防止塔身不断倾斜做着各种努力。意大利比萨城大教堂的独立式钟楼由于地基不均匀和土层松软而使塔身向东南倾斜，成为闻名世界的比萨斜塔。人们一直为防止塔身不断倾斜做着各种努力。 比萨斜塔因为意外而著名 但有人竟然设计了比比萨斜塔还牛的建筑

20. 首都之门，标志性的倾斜大楼，位于迪拜的中心，该建筑向西倾斜18度，倾斜度是比萨斜塔的4.5倍。它的基础是7层的混凝土，并用密网格的钢筋加固。有490个31米深的桩，以此承受重力，风力和地震力。它有一个巨大的中庭，包括离地80米的茶室和游泳池，设计高度是35层，160米高。首都之门，标志性的倾斜大楼，位于迪拜的中心，该建筑向西倾斜18度，倾斜度是比萨斜塔的4.5倍。它的基础是7层的混凝土，并用密网格的钢筋加固。有490个31米深的桩，以此承受重力，风力和地震力。它有一个巨大的中庭，包括离地80米的茶室和游泳池，设计高度是35层，160米高。

21. 设重力偏心为e，建筑总重为W，则偏心矩为W·e，基础自重为k·W（k为系数），基础对土层的应力在图示左侧（偏心侧）必为压应力，而右侧由于偏心距的影响应写为设重力偏心为e，建筑总重为W，则偏心矩为W·e，基础自重为k·W（k为系数），基础对土层的应力在图示左侧（偏心侧）必为压应力，而右侧由于偏心距的影响应写为

22. 当 或 表明地基右端处于拉应力状态，这不是我们所希望的。 是否可将建筑主体右移e1，则 地基右端应力公式可写为

23. 当地基自重较大，即k值较大，而e1也较大时，完全有可能出现当地基自重较大，即k值较大，而e1也较大时，完全有可能出现 即地基右端也为压应力了，这正是我们所期望的。

24. 这是青岛五四广场上五月风标志建筑，看似没有规律的组合体，却遵循这严格的力学法则，组合体的重心必定通过底座，为了保证这个要求，建筑内还有一个球体。这是青岛五四广场上五月风标志建筑，看似没有规律的组合体，却遵循这严格的力学法则，组合体的重心必定通过底座，为了保证这个要求，建筑内还有一个球体。

25. 这是网上流行的“力学哥”的大作，很好地利用了力的传递、重心问题，你们有何体会呢？这是网上流行的“力学哥”的大作，很好地利用了力的传递、重心问题，你们有何体会呢？

26. 建筑材料的使用问题

27. 建筑材料以脆性材料为主，脆性材料特点是抗压性能好，抗拉性能较差，抗压强度是抗拉强度的几倍乃至十几倍。建筑材料以脆性材料为主，脆性材料特点是抗压性能好，抗拉性能较差，抗压强度是抗拉强度的几倍乃至十几倍。 古代钢材稀少，造桥木质较多，因桥梁受载荷作用时成弯曲变形，会出现较大拉应力，石材不抗拉。 一千五百多年前（公元595年），我国古代著名石匠李春完成了一个壮举，完全用石材砌了一座桥，巧妙的结构使每块石材都处于压应力状态。这正是赵州桥一千五百多年以来完整无损的关键所在。

28. 河北赵州桥全貌，至今仍在通行使用

29. 河北赵州桥细部

30. 当载荷作用时，每块石材保证受到的是压应力 拱形窗也是利用了这个原理

31. 建筑材料决定着楼房的高度 最原始的建筑茅草屋 只有一层，且不会太高只能抵御一般的风雨，防寒性较差，多在亚热带地区。

32. 土坯盖起的房子，强度大大高于茅草房，且保温性较强土坯盖起的房子，强度大大高于茅草房，且保温性较强 甚至盖起了两层楼房 土坯潮湿，房子年限太低

33. 将土坯烧制一下，变成了较硬的土坯，即砖。用它改的房子就像样多了，砖的强度高多了，且保暖，抗潮性好。将土坯烧制一下，变成了较硬的土坯，即砖。用它改的房子就像样多了，砖的强度高多了，且保暖，抗潮性好。 还能盖楼

34. 想再往高盖，需要混凝土起作用了，混凝土形成主框架使高楼保持良好的整体性，强度进一步提高。我们称之为砖混结构想再往高盖，需要混凝土起作用了，混凝土形成主框架使高楼保持良好的整体性，强度进一步提高。我们称之为砖混结构 七八层是没有任何问题的

35. 超过十五层以上的建筑应该考虑防风、防震以及地基的承载力问题了，砖混结构重量太大，地基承载力要求高，容易断裂，抗震性能不高。于是钢混结构出现在高层建筑上。重量轻、柔韧性好，正是高层建筑所需要的。超过十五层以上的建筑应该考虑防风、防震以及地基的承载力问题了，砖混结构重量太大，地基承载力要求高，容易断裂，抗震性能不高。于是钢混结构出现在高层建筑上。重量轻、柔韧性好，正是高层建筑所需要的。

36. 对于超高层建筑，即我们所说的摩天大楼，对材料提出更高的要求，整座大厦的重量压在相对面积不大的地基上，沉陷问题必须解决，比萨斜塔就是因为地基沉陷造成的，高楼主要以钢材为主，加之轻质保暖隔断，称之为钢结构，只要解决了解决了抗风、抗震问题，就可以往高处盖了。对于超高层建筑，即我们所说的摩天大楼，对材料提出更高的要求，整座大厦的重量压在相对面积不大的地基上，沉陷问题必须解决，比萨斜塔就是因为地基沉陷造成的，高楼主要以钢材为主，加之轻质保暖隔断，称之为钢结构，只要解决了解决了抗风、抗震问题，就可以往高处盖了。 见过几米高的电线杆吗？有些是木材的 见过十几米高的电线杆吗？基本都是钢筋混凝土的 见过几十米高的高压电线杆吗？那都是钢结构 应该悟出什么道理

37. 建筑结构中的预应力问题

38. 赵州桥巧妙的拱形结构将石材始终处于压应力下，但桥的跨度毕竟不大，而对于几十米乃至上百米的大跨度桥梁，拱形结构恐怕就不合适了，尤其对于公路桥、铁路桥，要求桥面一定平整。赵州桥巧妙的拱形结构将石材始终处于压应力下，但桥的跨度毕竟不大，而对于几十米乃至上百米的大跨度桥梁，拱形结构恐怕就不合适了，尤其对于公路桥、铁路桥，要求桥面一定平整。

39. 其玄妙在梁的内部埋藏的钢筋上，钢筋始终处于预拉紧状态，其反作用力使混凝土始终处于压缩状态，即使桥面上有载荷，也不会改变其受压状态。其玄妙在梁的内部埋藏的钢筋上，钢筋始终处于预拉紧状态，其反作用力使混凝土始终处于压缩状态，即使桥面上有载荷，也不会改变其受压状态。 楔形滑块 预拉钢筋

40. 在一些大跨度屋顶，也用这些预拉件作梁

41. 建筑结构中的稳定性问题

42. 细长杆件受压时往往会突然折断，我们称之为失稳，也就是常说的压杆的稳定性问题。细长杆件受压时往往会突然折断，我们称之为失稳，也就是常说的压杆的稳定性问题。 就像钢锯条，只能承受张力，稍微承受压力就要折断

43. 在建筑上，有无受压的细长杆件? 在山涧的路桥的桥墩就是细长压杆，必须考虑稳定性问题

44. 这是一个失稳的例子

45. 桁架结构由于轻巧美观在建筑上广泛应用，每根杆为二力杆，大部分受压，也会出现失稳现象桁架结构由于轻巧美观在建筑上广泛应用，每根杆为二力杆，大部分受压，也会出现失稳现象

46. 建筑上的吊车倒塌事故均为失稳问题

47. 现在一般的超高层建筑整体也是细长杆状，受压主要来自自重，但自身重量相对较轻，故自重下一般不会发生失稳问题。现在一般的超高层建筑整体也是细长杆状，受压主要来自自重，但自身重量相对较轻，故自重下一般不会发生失稳问题。 这是原美国世贸中心大楼，非常雄伟。911恐怖袭击时使它瞬间倒塌，知道其原因吗？

48. 大楼在受到满载汽油的大型客机撞击下开始燃烧，局部以钢结构为主的支撑因剧烈燃烧而开始变软。大楼在受到满载汽油的大型客机撞击下开始燃烧，局部以钢结构为主的支撑因剧烈燃烧而开始变软。

49. 局部失稳出现，燃烧层以上的楼层重量突然落下，燃烧层一下楼体受到一个冲击载荷。局部失稳出现，燃烧层以上的楼层重量突然落下，燃烧层一下楼体受到一个冲击载荷。

50. 由冲击载荷根据理论计算，这个冲击载荷的大小至少是冲击重量的2倍，在这个突如其来的压力作用下，大楼失稳瞬间倒塌。由冲击载荷根据理论计算，这个冲击载荷的大小至少是冲击重量的2倍，在这个突如其来的压力作用下，大楼失稳瞬间倒塌。