Text 2 现代建筑及结构材料

许多伟大的建筑很早就修建了现在仍然还存在并在使用中。在他们之中就包括希腊的帕提侬神庙和罗马的角斗场，伊斯坦布尔的圣索非亚教堂; 法国和英国哥特式教会, 和有着宏伟圆顶的文艺复兴时期大教堂,如佛罗伦萨的中央寺院和罗马的圣彼得大教堂。他们是使用厚重石头墙体来抵消他们巨大自重的巨型结构。轴向压力来自于结构的其它部份对其的传导。

这些伟大的建筑不是数学和物理知识的产物。而是根据经验和观察建造的, 经常是不断摸索的产物。他们依然存在的原因之一是由于被修建得能承受很大的力量---在许多情况下大于他们需要的力量。但更早的时期的工程师也有过失败。例如,在罗马, 大多数人民居住在公寓里, 大的经济公寓经常有十层楼高。许多修建得很拙劣且不时倒塌，造成了了相当大的财产或生命损失。

然而，今天工程师不仅有经验信息的优势，而且还有科学数据，允许他在事先进行仔细的计算。当现代工程师设计一个结构时，他要考虑所有组成材料的总重量。这就是所说的恒载，他是结构自身的重量，他还必须考虑活载，即所有人群、汽车, 家具, 机器, 等等结构在使用中需要承受的荷载。结构，比如桥梁将要承受高速的汽车通行（行使），它必须考虑冲力力，这个力是活载作用在结构上的。他还必须确定安全因素，也即是，额外的承载能力以确保结构的强度大于这三个其他因素的组合作用。

现代工程师还要知道结构中材料承受的不同的力。这些力包括压力和拉力这对互反的力。受压时，材料受到挤压或是被推倒一起；受拉时，材料被撕开或是被拉长，就像一根橡皮圈。除了拉力和压力以外，还有另一种力作用于结构上，也就是剪力，我们定义使材料趋于沿着力的作用线断裂的力为剪力。剪力可能在垂直面作用，但是也有可能沿着梁的水平轴，既不受拉也不受压的中性轴作用。

总之，这三个力会作用在结构上：竖直的---那些向上或向下作用的力；水平的—那些向一侧作用的力；以及那些使旋转或转动的作用力。以一个角度作用的力是水平力和竖向力的合力。因为由土木工程师设计的结构要固定或者稳定，这些力必须保持平衡。例如，竖向力必须相互平衡。如果一片梁要支撑作用在其上的荷载，梁自身必须要有足够的强度来平衡这个重量。水平力也必须相互平衡以使得没有向左或向右的太大推力。以及那些可能使结构转动的力必须和相反方向转动的力相平衡。

现代最为轰动一时的工程事故之一：1940年的Tacoma Narrows大桥，就是因为对这些因素的最后一个因素：扭转考虑的不够仔细而导致的结果。当时在一次暴风雨中，时速达到65公里每小时的强阵风冲击着大桥，他们把大桥沿行车道吹成波浪形加上横向扭动导致大桥的行车道落水。幸运的是，工程师从错误中吸取教训，因此现在通常要在风洞试验室中进行桥梁的缩尺模型试验以确定其空气动力阻力。

早期主要的建筑材料是木材和砌石砖，石头或是瓦片以及类似这类的材料。用砂浆或是沥青，一种类似焦油的物质或是其他粘合剂将各层结合在一起。希腊人和罗马人有时使用铁杆或是夹子来加强他们的建筑。例如，希腊帕提农神庙的立柱，为了插铁棒在立柱中钻孔，这些铁棒现在已经锈蚀了。罗马人也使用称为火山灰的天然水泥，从火山灰中制成，当在水中时就会变得和石头一样硬。

钢材和水泥，这两种最为重要的现代建筑材料，是在十九世纪发明的。钢材，主要是铁合金和少量的碳，在那时要通过费力的过程才能提炼出来，这限制它只能用于一些特殊用途比如剑刃上。1856年在贝色麦法发明以后，才能以低价得到大量的钢材。钢材极大的优点是它的抗拉强度，也就是当在计算等级的拉力作用下，它不会丧失其强度，这个力，正如我们所见，可以撕开很多材料。新的合金可以增强钢材的强度并且消除它的一些问题，比如疲劳问题，钢材在应力持续不断的变化作用下所导致的强度减弱。

称为硅酸盐水泥的现代水泥，在1824年发明。它是石灰石和粘土的混合物，它们加热后碾(碎)成为粉末。它可以在施工场地或靠近施工场地的地方和沙子，骨料（小石子，碎石或砾石）以及水混合制成混凝土。成分的不同比例可以制造出不同强度和重量的混凝土。混凝土非常通用，它可以灌注，泵送甚至喷洒成各种形状。并且鉴于钢材有很大的抗拉强度，混凝土有很大的抗压强度。因而，这两种物质可以相互补足。

他们还可以以另一种方式相互补充：他们有几乎相同的压缩和膨胀率。因此，他们可以在既受压又受拉的情况下共同工作。在混凝土梁或受拉的结构，钢筋嵌入混凝土中形成钢筋混凝土。混凝土和钢筋还能形成如此强的粘结-这个粘合他们的力—使得钢筋在混凝土中不会滑移。还有另外一个好处就是钢在混凝土中不会生锈。酸腐蚀钢材，而与酸相反，混凝土存在碱性化学反应。

预应力混凝土是钢筋混凝土的改良形式。钢筋弯成一定形状（弯成形）给他们必要的抗拉强度等级。然后，通常通过先张法或者后张法，他们给混凝土施加预应力。预应力混凝土使得发展非常规形状的建筑成为可能，比如一些现代体育场，有很大的不被任何支柱阻断的空间。这种相对新的结构方法的使用在不断的发展。

目前的趋势是发展更轻的材料。例如，铝，比钢轻很多但是与钢有很多同样的性能。铝梁已经在桥梁结构以及一些框架建筑中使用。

人们还尝试制造出强度更高耐久性更好的混凝土同时重量更轻(高性能混凝土)。一个帮助在一定程度上减少混凝土重量系统是使用高分子材料作为混合料的一部分，这些材料具有用于塑料中的链状化合物。