結(jié)構(gòu)力學是結(jié)構(gòu)設計的基礎知識,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?淺談構(gòu)件
來源：武際可科學網(wǎng)博客，作者：武際可 北京大學力學系。
結(jié)構(gòu)力學是結(jié)構(gòu)設計的基礎知識，通過力學概念的應用，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。而凡是描述和預測這類體系性能的基礎知識都稱結(jié)構(gòu)力學。結(jié)構(gòu)力學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、薄壁結(jié)構(gòu)力學，塊體結(jié)構(gòu)力學等。每一類結(jié)構(gòu)力學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)力學是力學的一個分支，它是從理論力學和材料力學中分離出來的獨立學科。結(jié)構(gòu)力學在建筑工程領域中又稱建筑力學。
結(jié)構(gòu)力學的學科內(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，應力與應變間的物理關系或稱本構(gòu)方程的建立和應用。后兩者也可以合稱為變形條件的確定與應用。理論力學為結(jié)構(gòu)力學提供計算原理，數(shù)學為結(jié)構(gòu)力學提供計算工具。
結(jié)構(gòu)力學的主要研究內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)在靜載下的彈、塑性變形，位移，應力狀態(tài)和優(yōu)化問題；結(jié)構(gòu)在動載下的響應和性能；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)件的力學分析形成了不同的結(jié)構(gòu)力學學科。
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，也就是說在最復雜的情況下可以用常微分方程來描述它們的待求力學量;
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。
對應于這三類構(gòu)件，形成了三類不同的結(jié)構(gòu)力學學科。通常的材料力學和桿系結(jié)構(gòu)力學處理的是第一類構(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)件形成的力學分支學科;而對第三類構(gòu)件的問題就需要彈性力學、塑性力學等專門的學科來解決了。
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。
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)。對于它的設計，首先要考慮的是經(jīng)受風載荷的強度，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計不夠，設計風壓比英國設計規(guī)范要求的塔頂?shù)娘L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，可見對于薄殼結(jié)構(gòu)設計中的受力分析多么復雜和重要。
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、化工的反應釜、鍋爐、儲氣罐、薄殼屋頂?shù)鹊龋际潜そY(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中的構(gòu)件主要有樓（屋）面、墻體、柱子、基礎等。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件為構(gòu)成結(jié)構(gòu)受力骨架的要素，當然也包括梁、板、墻體、柱子、基礎等
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)。
在半個世紀以前，對于一般的塊體結(jié)構(gòu)幾乎還沒有有效的應力分析手段。已有的手段無非是在設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。完全不能適應日益復雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析要求。
山窮水復疑無路，柳暗花明又一村。在計算機普及之后，大約在上世紀六十年代開始，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規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，用這種軟件在設計之前對各種設計方案進行計算，已經(jīng)成為設計的最重要的環(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，在它的指引下，結(jié)構(gòu)設計變得愈來愈合理、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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以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關于結(jié)構(gòu)力學的知識技巧了，學習以上的結(jié)構(gòu)力學是結(jié)構(gòu)設計的基礎知識,淺談下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的知識知識，對于結(jié)構(gòu)力學的幫助都是非常大的，這也是新手學習建筑專業(yè)所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點擊右側(cè)人工服務，我們會有專業(yè)的人士來為您解答。
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