建筑中的效应--转

摘 要 该文用例举的方式表述了存在于建筑物中的若干种效应及其对建筑物作用原理及产生的机制、原因，重点说明了荷载类效应产生的原因，并大致对各种效应进行了归类，论述了各种效应对建筑物的安全功能、使用功能、美观性能所具有的重要性。
关键词 建筑 效应 功能

1 概述
说起效应，可以说在许多领域的各个方面、各个层次都存在着效应，如生态学中有边缘效应；气候学上有温室效应、蝴蝶效应；物理学、电学方面有霍尔效应、压电效应、电致伸缩效应、塞曼效应等等；社会经济学方面就更多了，如多米诺骨牌效应、马太效应、鲶鱼效应、晕轮效应、木桶效应、青蛙效应等等，不一而足。而由于建筑物在有限寿命期内存在众多因素的作用，同样存在着效应，这些效应对建筑物、构筑物的影响相当重要，不可忽视。它们广泛影响到了建筑物、构筑物的安全功能、使用功能、美观等基本内容。
可以这样解释效应：它本质上是一种输入和输出之间的关系，是建筑物在温度、湿度、地震、风力、不良介质（气体、液体、固体）众多因素作用下所产生物理的或化学的效果。简单地说，建筑物中的效应就是建筑物与周围环境相互作用所产生的结果。


2 荷载类效应的表现
提起对建筑设计影响最大的，不能不说到荷载效应，因为荷载条件是建筑设计最根本的依据。所谓荷载效应，是指在某种荷载作用下结构的内力或位移。一般用途的建筑结构承受的竖向荷载有结构、填充墙、装修等自重（永久荷载）和楼面使用荷载、雪荷载等（可变荷载）；水平荷载有风荷载及地震作用。各种荷载可能同时出现在结构上，但是出现的概率不同。按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。下面就一些比较典型的荷载类的效应做一叙述。
2.1 群桩效应
在高层建筑基础设计时不能不考虑的就是群桩效应，群桩效应就是指群桩基础受竖向荷载后，由于承台、桩、土的相互作用使其桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩明显不同，承载力往往不等于各单桩承载力之和这一现象。影响群桩效应的主要因素有两个：一个是群桩自身的几何特征，如承台的设置方式（高、低承台）、桩间距桩长L及桩长与承台宽度比L/Bc、桩的排列形式、桩数；另一个是桩侧及桩端的土性及其分布、成桩工艺。群桩效应具体反映在以下几个方面：群桩的侧阻力、群桩的端阻力、承台土反力、桩顶荷载分布、群桩的破坏模式、群桩的沉降及其随荷载的变化。
2.2 场地的地震效应
场地的地震效应是另一个在基础设计时也必须考虑的效应，它会产生两个作用：一是放大作用，由基岩破裂或已有断层的错动产生的地震波从震源发出，以纵波与横波的形式向四方传递，传至建筑场地下的基岩后又经过土层向地面传递。地震波一经传入土层后立即得到增加，哪怕是地下深处不很强的震动，等传至地面后常成为相当强的震动；二是共振作用，场地有自己的自振周期，称为场地的特征周期。如果建筑物的自振周期与场地的特征周期相近，两者就会发生共振，使震害大为加重，会导致建筑物耐久性失效，产生灾变危害。
2.3 鞭梢效应
同样，在地震的作用下会产生鞭梢效应。所谓鞭梢效应，就是当建筑物受到地震作用时,它顶部的小突出部分由于刚度和质量较小，在每一回合的转瞬间形成较大的速度，产生较大的位移。简单地说，就是在地震作用下，高层建筑或其他建（构）筑物顶部细长突出部分振幅剧烈增大的现象。结构鞭梢效应发生的原因，主要是由于突出物自振频率与地面运动干扰频率相等或相近。在工程结构中，通常出屋面的楼梯间、水箱、高耸构筑物等都要考虑鞭梢效应。
2.4 短柱效应
短柱效应则是在设计时易被忽视的一个问题。以窗台为例，发生短柱效应的原因是在设计之初，窗台为非结构墙，在应力分析时未将其考虑在内，把被窗台围束的柱当作一般柱作应力分析而忽略掉该柱真正的高度（短柱刚度大、韧性差），因此每逢地震发生后常造成严重的剪力破坏情形，其破坏形态多为剪切破坏，无明显征兆，一般而言以多层建筑中设置构造柱的楼梯间、宽度较大的窗台等部位最为典型。如同鞭梢效应一样，这也是一种与地震效应密切相关的效应。
2.5 挤土效应
预应力管桩施工中会遇到一种称为挤土效应的现象，这是由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态而产生的。挤土效应一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，挤土效应对周围路面和建筑物引起破坏，使周围开挖基坑坍塌或推移增大，对已经施打的桩的影响表现为桩身倾斜及浅桩（≤20 m）上浮。如果压桩施工方法与施工顺序不当，每天成桩数量太多、压桩速率太快就会加剧挤土效应。
2.6 风振效应
风振效应比较特殊，简单来说，就是高层建筑和高耸构筑物在风的作用下产生一种漩涡而形成的脉动效应，这种效应使建、构筑物受力条件变得非常复杂。风振效应的大小主要受制于地面粗糙度，地面粗糙度小的上空平均风速大，则风振效应小，频率低，反之则风振效应大。考虑风振效应，合理进行结构布置、材料选型，才能保证建、构筑物的正常使用寿命。
2.7 剪力滞后效应
剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。剪力滞后有时也叫剪切滞后，具体表现是，在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。例如在墙体上开洞以后，由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞后效应。剪力滞后效应在T型、工型和闭合薄壁结构中（如筒结构和箱梁）表现得较为典型，在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。当结构处于水平力作用下时，主要反应是一种应力不均匀现象，柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形，由此引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移，从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等：远离腹板框架的柱轴力越来越小，翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形，同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。
3 与建筑材料或构件性能有关的效应
可以说荷载类效应的发生与否关键取决于力这个因素，而有些效应的发生却与材料性质、周围环境相互间产生的多种作用有着密切的关系。下面举几个例子。
3.1 冷桥效应
冷桥效应算是最常见的一种效应，也是建筑物很容易出现的质量通病。冷桥效应一般在北方地区的冬季发生，是指在房屋外墙转角、内外墙交角、楼屋面与外墙搭接角处，会产生水雾吸附于墙面的现象，这时会出现外墙的墙体内露水凝结“流泪”、“冒汗”、“发霉”、房屋潮湿、霉变的现象。钢筋混凝土结构的建筑冷桥现象多发生于柱子和梁处；而砖混结构的建筑多发生于圈梁和构造柱处。这就是由于建筑材质采用粘土砖、空心砖、混凝土以及钢筋等材料，其导热系数不同而产生的。
3.2 湿胀干缩效应
湿胀干缩效应是指，当木材由潮湿状态干燥到纤维饱和点时，尺寸不变；继续干燥时，吸附水开始蒸发，木材发生体积收缩。防止湿胀干缩措施是在木材制作加工前将其进行干燥处理，使木材干燥至平衡含水率，了解木材这一性质，对于保证木材制品的质量相当重要。
3.3 钢材的时效反应
钢材的时效反应是指，对钢筋来说，在常温下进行冷拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时卸荷。将经过冷拉的钢筋常温下存放15d~20d，或加热到100℃~200℃并保持2h~3h后，钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称自然时效，后者称为人工时效。另外，为消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生的变化，常在低温回火后（低温回火温度150℃~250℃）精加工前，把工件重新加热到100℃~150℃，保持5h~20h，这样进行时效处理后，可以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸。
3.4 蒙皮效应
另一个与材料或构件性能有关的效应就是蒙皮效应。蒙皮效应对于加强结构的空间整体性相当有用，对于建筑结构来讲，蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板），利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用，其工作原理是：围护板与檩条以及板与板之间通过不同的紧固件连接起来，形成了以檩条作为其肋的一系列隔板。这种板在平面内具有相当大的刚度，类似于薄壁深梁中的腹板，檩条类似于薄壁深梁中的加劲肋，板的四周连接墙梁或檩条类似于薄壁深梁中的翼缘，可以用来传递板平面内的剪力，承受板平面内的各种荷载作用。蒙皮效应在工程中只将其作为一种结构上的储备。目前在满足一定条件的压型钢板以及轻型钢框架组成的轻钢住宅和门式刚架体系中存在着较大的蒙皮效应。
4 与建筑物布局有关的效应
热岛效应：之所以称为热岛，是指城市地区由于人口稠密，工业集中，造成温度高于周围地区的现象。在温度空间分布图上，城市好像是一个温暖的岛屿。热岛效应会产生阻止城市大气污染物扩散稀释的不良作用，从而造成城市局部地区气象异常。所以在城市整体规划时必须考虑建筑物的布置，这是在做总体规划时的重要考虑因素。同样与城市建筑总体布局有关的效应是风闸效应，超高层住宅群楼中，建筑物高、密度大、间距小，建筑体形凹口多，在风动效应的作用下会使建筑物之间产生快速气流，造成一道“风闸”，在楼群之间形成“风闸效应”。
结 语
以上所说的效应只是与建筑相关的效应的一部分，还有很多效应如承台效应、混凝土动力学中的惯性效应、建筑中的回声效应、高层建筑内部的烟囱效应等等，不胜枚举，如要进行细细的疏理，这个话题必定会有很广阔的拓展空间，本文仅作抛砖引玉之举。
综合以上例举的各种效应，根据其特点可大致进行这样归类：一是与荷载有关的，如剪力滞后效应、地震效应、短柱效应、鞭梢效应、风振效应、群桩效应、挤土效应等等；二是与建筑材料性能有关的效应，如钢材的时效反应、蒙皮效应、木材的湿胀干缩效应、冷桥效应等等；三是与建筑物布局有关的，如热岛效应、风闸效应、烟囱效应、回声效应等等。
各种与建筑物有关的效应都是人们在建筑设计、施工、使用时不断研究总结出来的，这些效应对建筑的影响至关重要，对建筑物的设计寿命具有决定性的影响，处理不当会使建筑物出现很多问题，如墙体开裂、地基沉陷、基础断裂、梁柱承载力下降、面层剥落、保温性差，甚至会出现房倒屋塌这类严重后果。所以说，要使建筑物既满足安全功能要求又满足美观实用的要求，就必须重视各种与建筑物相关的效应的产生原理、作用机制，尤其是在建筑设计阶段就要做到未雨绸缪，事先采取针对短柱性的措施。

例如为了减弱鞭梢效应，不应只盲目地增大突出物的刚度，最有效的方法是应使突出物的第一阶自振频率与整体结构低阶频率不要接近地面运动扰频；针对短柱效应，只要在结构设计时充分考虑这个因素就可以避免破坏，从而大幅改善建筑物的抗震能力；为防止挤土效应产生的危害，在挤土桩施工区内，可根据基础平面形状、桩数、桩径、桩长、桩距、地质条件、地下水位高低等诸因素，采取合理的措施，消除或减少挤土效应对周围环境的影响。通过种种预防措施才能使建筑物、构筑物建成后不但成为一种美好的景观，也让我们的生活因此而更安全、更舒适、更经济。

参考文献
1 建筑结构荷载规范（GB 50009— 2001），2002-3-1 .
2 张沛. 城市住区规划设计概论. 北京：化学工业出版社，2004.
3 史庆轩，梁兴文. 高层建筑结构设计. 北京：科学出版社，2005.
4 贺国京，阎奇武，袁锦根. 工程结构弹塑性地震反应. 北京：中国铁道出版社，2005.
5 孙丹荣，李艳娜，骆中钊. 建筑与结构技术常识. 北京：化学工业出版社，2006.
6 郭继武. 建筑抗震设计. 北京：高等教育出版社，1990.
7 刘金砺. 竖向荷载下的群桩效应和群桩基础概念设计若干问题. 土木工程学报，2004，37（1）：78-83.