結(jié)構(gòu)力學(xué)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)知識,淺談下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的知識
怎樣才叫理解透徹了結(jié)構(gòu)力學(xué)?淺談構(gòu)件
來源：武際可科學(xué)網(wǎng)博客，作者：武際可 北京大學(xué)力學(xué)系。
結(jié)構(gòu)力學(xué)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)知識，通過力學(xué)概念的應(yīng)用，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案、改善構(gòu)件受力、減少結(jié)構(gòu)投資，對于工程建設(shè)有著非凡的意義。結(jié)構(gòu)是把固體構(gòu)件組織在一起的承力的系統(tǒng)。那么，緊接著的一個問題就是，結(jié)構(gòu)中最常見的是些什么構(gòu)件呢?
此處“結(jié)構(gòu)”，二字是指一種由單元構(gòu)件結(jié)合而成并具有支撐的戰(zhàn)構(gòu)造物或物體，它能承受載荷，也能傳遞載荷。椅子、桌子、樹枝、建筑剛架、飛機、火箭、航天器，甚至連精細的蜘蛛網(wǎng)都屬于一般定義的“結(jié)構(gòu)”范疇。而凡是描述和預(yù)測這類體系性能的基礎(chǔ)知識都稱結(jié)構(gòu)力學(xué)。結(jié)構(gòu)力學(xué)通常是按所研究體系中構(gòu)造物的材料性質(zhì)和幾何形狀而詳細分類的，如桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)、薄壁結(jié)構(gòu)力學(xué)，塊體結(jié)構(gòu)力學(xué)等。每一類結(jié)構(gòu)力學(xué)又都涉及各類形狀的構(gòu)造物的研究，而這些構(gòu)造物是由具有某種規(guī)定的物理性質(zhì)的材料構(gòu)成的。
結(jié)構(gòu)力學(xué)是力學(xué)的一個分支，它是從理論力學(xué)和材料力學(xué)中分離出來的獨立學(xué)科。結(jié)構(gòu)力學(xué)在建筑工程領(lǐng)域中又稱建筑力學(xué)。
結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵是研究結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性的計算原理和計算方法。對桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)而言，還有桿系幾何組成規(guī)律的研究。對結(jié)構(gòu)進行強度和穩(wěn)定性計算，是保證結(jié)構(gòu)能安全和滿足經(jīng)濟的要求；進行剛度計算是保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生過大變形，滿足使用要求。
結(jié)構(gòu)力學(xué)中建立各種計算方法的共同出發(fā)點或思路是，受力系統(tǒng)平衡方程或運動方程的建立，幾何連續(xù)條件的協(xié)調(diào)一致，應(yīng)力與應(yīng)變間的物理關(guān)系或稱本構(gòu)方程的建立和應(yīng)用。后兩者也可以合稱為變形條件的確定與應(yīng)用。理論力學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供計算原理，數(shù)學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供計算工具。
結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要研究內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)在靜載下的彈、塑性變形，位移，應(yīng)力狀態(tài)和優(yōu)化問題；結(jié)構(gòu)在動載下的響應(yīng)和性能；結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)的斷裂和疲勞；溫度對結(jié)構(gòu)性能的影響，以及有柔性支承的結(jié)構(gòu)的計算等。
最常見的構(gòu)件是這樣三類：
繩、柱、桿、梁這種沿一個方向伸長，其他兩個維度很小的條狀構(gòu)件;
板、殼是一個維度很小，兩個維度比較大的，即比較薄能夠覆蓋一定面積的構(gòu)件;
塊體構(gòu)件，即構(gòu)件的三個維度大小相去不遠的構(gòu)件。
我們后面會了解這樣分類的道理，這是從結(jié)構(gòu)分析的角度來考慮的，不同類的構(gòu)件的力學(xué)分析形成了不同的結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科。
第一類構(gòu)件可以簡化為，僅僅以構(gòu)件的長度為參數(shù)來定位構(gòu)件上點的位置，也就是說在最復(fù)雜的情況下可以用常微分方程來描述它們的待求力學(xué)量;
第二類構(gòu)件可以簡化為，以兩個參數(shù)來定位構(gòu)件上點的位置，一般求解它就需要和二維偏微分方程或偏微分方程組打交道;
第三類塊體結(jié)構(gòu)，就需要與三維空間的偏微分方程組打交道了。
對應(yīng)于這三類構(gòu)件，形成了三類不同的結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科。通常的材料力學(xué)和桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)處理的是第一類構(gòu)件和由這些構(gòu)件組成的系統(tǒng);板殼理論是專門針對第二類構(gòu)件形成的力學(xué)分支學(xué)科;而對第三類構(gòu)件的問題就需要彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等專門的學(xué)科來解決了。
圖1 長陵祾恩殿剖面圖
第一類構(gòu)件中，最常見的就是柱和梁，它們在幾千年的古建筑中已經(jīng)形成定式，所謂橫梁豎柱。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要指的是結(jié)構(gòu)施工圖上的承重構(gòu)件，支承荷載起骨架作用的構(gòu)件或由其組成的整體都稱為結(jié)構(gòu)。房屋中的梁、柱、屋架、基礎(chǔ)等構(gòu)件，以及由這些構(gòu)件所組成的體系都是結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
就是說在結(jié)構(gòu)中橫向布置，承受重力所引起的彎曲作用的稱為梁，屋脊的主梁稱為棟。圖1是明長陵的祾恩殿，是目前中國為數(shù)不多的大型楠木殿宇。它面闊九間(通闊66.56米)，進深五間(通深29.12米)，象征著皇帝的“九五”之位。由60根楠木大柱支撐殿頂，中央四根大柱的直徑達1.17米，殿面闊超過了故宮太和殿。從圖上能夠清楚地看出梁和柱的分布和相互搭接的構(gòu)造。
梁在近代結(jié)構(gòu)中十分重要，用得也很普遍，圖2為湘桂鐵路上的志城大橋，它是一座變截面的連續(xù)梁。像這種一根梁支撐在多個支座上的梁，稱為連續(xù)梁，它的分析要比一根梁簡單地支撐在兩端的簡支梁要來得復(fù)雜一點。梁與柱的受力特點不同，柱是受沿著柱的軸向方向的外力的構(gòu)件，而梁所受的外力是垂直于軸向的。從受力特點來看，帆船上的桅桿、汽車的底盤、在大風(fēng)作用下的高聳的煙筒、飛機的機翼、漂浮在有波浪起伏的水面上受浮力作用的大船、起重機的吊臂等等，都可以看作梁。由于有的梁并不是由一根密實的同一材料組成的桿狀固體，而是由許多不同的構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系，這樣的梁也稱為組合梁或復(fù)合梁。
圖2 湘桂鐵路志城特大橋的連續(xù)梁
圖3 由桿件組成的桁架
圖3所示的結(jié)構(gòu)，無論是作為梁的組合構(gòu)件，還是作為柱的組合構(gòu)件，都是由許多直桿組成，這樣的結(jié)構(gòu)體系稱為桁架，它的基本構(gòu)件只是由受拉壓的桿組成。它的受力分析歸結(jié)為桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)。
在承力結(jié)構(gòu)的構(gòu)件是彎曲的桿時，這種結(jié)構(gòu)就稱為栱。圖4是一個典型的栱結(jié)構(gòu)。此外如趙州橋、五臺山顯通寺的無梁殿，那種由磚石砌成的栱圈形的結(jié)構(gòu)，也稱為栱。對于栱來說，構(gòu)件主要經(jīng)受壓力，有時是受彎曲和受壓聯(lián)合作用的。
如果構(gòu)件只能承受拉力，不能承受彎曲，也不能承受壓力，這種構(gòu)件就稱為繩索，一般吊橋的主要承力構(gòu)件就是懸掛在支座塔上的兩條鋼索。它們是柔軟不承受壓力和彎曲的構(gòu)件。
圖4 栱結(jié)構(gòu)
在第二類構(gòu)件中用得最為廣泛的就是板。板是其中面是一張平面的構(gòu)件，所以又稱為平板。通常鋼材、木材為了使用方便都事先加工成板材。板如果是承受垂直于板面的荷載的，就稱為板，如果只承受平面內(nèi)的載荷，即載荷作用方向處于中間平面內(nèi)，在民用建筑中這種構(gòu)件稱為剪力墻。民用建筑的樓板、飛機的蒙皮、輪船的甲板等都是用的是板構(gòu)件。
圖5是發(fā)電廠的兩座大型冷卻塔，其中一座塔筒已建好還未運行另一座塔筒正在施工。這種冷卻塔，目前已經(jīng)有的高達200米，直徑最大的地方有一百大幾十米，但是它最薄的地方厚度只有二十公分左右，是典型的薄殼結(jié)構(gòu)。對于它的設(shè)計，首先要考慮的是經(jīng)受風(fēng)載荷的強度，其次由于塔內(nèi)外溫度差比較大，還要考慮熱應(yīng)力，最后地基與地震的影響也要認真分析。圖6是1965年11月1日英國菲爾橋電廠在大約八級風(fēng)作用下八座冷卻塔中倒塌三座冷卻塔的情形，其他幾座未倒塌的也產(chǎn)生很嚴重的裂縫，造成英國這一地區(qū)停電。后來經(jīng)過研究認定是由于強度設(shè)計不夠，設(shè)計風(fēng)壓比英國設(shè)計規(guī)范要求的塔頂?shù)娘L(fēng)壓要低出19%。隨后在世界各國還有由于地基問題和施工問題大塔倒毀事故的報導(dǎo)，可見對于薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的受力分析多么復(fù)雜和重要。
圖5 發(fā)電廠的大型冷卻塔
圖6 1965年11月1日，英國菲爾橋八座大型冷卻塔在大風(fēng)中倒塌的三座冷卻塔
隨著結(jié)構(gòu)的進步，愈來愈多的薄殼結(jié)構(gòu)被各行各業(yè)采用。汽車的外殼、大型儲油罐、火箭和導(dǎo)彈的主體結(jié)構(gòu)、飛機的機身與船舶的外殼、大型汽輪機的外殼、水塔、化工的反應(yīng)釜、鍋爐、儲氣罐、薄殼屋頂?shù)鹊?，都是薄殼結(jié)構(gòu)。最近興起的充氣薄膜結(jié)構(gòu)，其實也可以算作一種特別的薄殼結(jié)構(gòu)它是每一個局部都只能承受張力而不能承受壓力的結(jié)構(gòu)。在自然界也有許多薄殼結(jié)構(gòu)，據(jù)了解，為了減少雞蛋的運輸與包裝過程中的損耗，對于雞蛋殼在撞擊時的強度問題，就有一些單位在進行理論和實驗研究。
圖7 內(nèi)燃發(fā)動機的氣缸
圖7是一組內(nèi)燃發(fā)動機的氣缸。它是典型的塊體結(jié)構(gòu)。對于像這樣的塊體結(jié)構(gòu)，要分析它的受力是很復(fù)雜的。圖8是經(jīng)12年于2006年建成的三峽大壩，是一座混凝土重力壩。壩體內(nèi)還有安裝水輪機和發(fā)電機的廠房，所以也是一個典型的塊體結(jié)構(gòu)。
圖8 三峽水庫的大壩
建筑構(gòu)件為構(gòu)成建筑物各個要素建筑物當(dāng)中的構(gòu)件主要有樓（屋）面、墻體、柱子、基礎(chǔ)等。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件為構(gòu)成結(jié)構(gòu)受力骨架的要素，當(dāng)然也包括梁、板、墻體、柱子、基礎(chǔ)等
1、概念不盡相同：建筑構(gòu)件為構(gòu)成建筑物各個要素，結(jié)構(gòu)構(gòu)件為構(gòu)成結(jié)構(gòu)受力骨架的要素。
2、受力特征不同：結(jié)構(gòu)構(gòu)件為結(jié)構(gòu)施工圖上的承重構(gòu)件，支承荷載起骨架作用的構(gòu)件或由其組成的整體，按照構(gòu)件的受力特征劃分的，分為受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件、受扭構(gòu)件、壓彎構(gòu)件等。
3、包含范圍不同：建筑構(gòu)件包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
建筑里面的框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成：
（1）由梁和柱連接而成的。
（2）梁柱交接處的框架節(jié)點通常為剛接，有時也將部分節(jié)點做成鉸接或半鉸接。
（3）柱底一般為固定支座，必要時也設(shè)計成鉸支座。來
（4）為利于結(jié)構(gòu)受力，框架梁宜拉通、對直，框架柱宜源縱橫對齊、上下對中，梁柱軸線宜在同一豎向平面內(nèi)。
（5）有時由于使用功能或建筑造型上的要求，框架結(jié)構(gòu)也可做成缺梁內(nèi)收或梁斜向布置等。
框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)按施工方法的不同可分為現(xiàn)澆式、裝配式和裝配整體式等。
（1） 現(xiàn)澆式框架即梁、柱、樓蓋均為現(xiàn)澆鋼知筋混凝土結(jié)構(gòu)。
（2） 裝配式框架是指梁、柱、樓板均為預(yù)制，通過 焊接拼裝連接成整體的框架結(jié)道構(gòu)。
（3）配整體式框架是指梁、柱、樓板均為預(yù)制， 在構(gòu)件吊裝就位后，焊接或綁扎節(jié)點區(qū)鋼筋， 澆筑節(jié)點區(qū)混凝土，從而將梁、柱、 樓板連成整體框架結(jié)構(gòu)。
在半個世紀(jì)以前，對于一般的塊體結(jié)構(gòu)幾乎還沒有有效的應(yīng)力分析手段。已有的手段無非是在設(shè)計時做一個模型在近似受力的情況下，通過測量模型的變形來得到可參考的結(jié)果。在結(jié)構(gòu)運行時，布置一些測點，來觀測它的變形。這樣的手段既費時又費力，效果還很不理想。完全不能適應(yīng)日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析要求。
山窮水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。在計算機普及之后，大約在上世紀(jì)六十年代開始，人們發(fā)展了一種“有限單元法”去分析任何結(jié)構(gòu)包括梁板殼的應(yīng)力與變形?；舅枷胧前呀Y(jié)構(gòu)假想地剖分為很多單元體，對每個單元設(shè)置若干未知量采取近似地表達式表述其變形，然后根據(jù)外力、單元的材料性質(zhì)、單元之間的連接和平衡條件得到一組規(guī)模很大的方程組，未知量個數(shù)可以達到數(shù)萬乃至數(shù)百萬，用計算機求解這些方程組，便可以得到這個塊體結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力分布。按照這種思想編制的通用和專用軟件很快地形成了一個有相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，用這種軟件在設(shè)計之前對各種設(shè)計方案進行計算，已經(jīng)成為設(shè)計的最重要的環(huán)節(jié)。有限單元法的產(chǎn)生與發(fā)展可以說是在計算機時代的結(jié)構(gòu)力學(xué)，在它的指引下，結(jié)構(gòu)設(shè)計變得愈來愈合理、結(jié)構(gòu)的功能愈來愈強大、結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作量愈來愈減小，空前加速和改善了結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展。
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