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建筑结构体系初探

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2020年4月19日
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建筑结构体系初探
结构是建筑的骨架，是建筑赖以生存的物质基础，不同的建筑功能要求，要求建筑采用不同的结构型式与体系。按其采用主要承重材料的不同，结构可分为钢结构、木结构、砖石结构、混凝土结构；按组成结构单元的几何尺度与线、面、体的不同，结构可分又为杆件结构，薄壁结构和实体结构；按结构承荷传力的单向或多向不同，结构可分为平面结构与空间结构。
小空间的低层与多层房屋，多采用砖混建筑结构。因其空间不大，可采用钢、木、钢筋混凝土作楼屋盖，而用砖石作承重墙，柱。
空间稍大、层数较多，特别在地震区的多层和高层建筑多采用混凝土或钢材的框架、框架—剪力墙、剪力墙、筒体等结构。
大空间的单层或多层房屋，多采用中跨与大跨建筑结构。用各种建筑材料作梁，桁架，排架，拱，壳、折板、网架、网壳、悬索等结构。
大跨度结构在桥梁上的应用是很典型的，很多大跨度结构型式也同样被应用于建筑结构，如大型桁架、预应力大梁、大跨度拱、悬索等。随着建筑材料和建筑技术的发展，越来越多的原来只在桥梁中使用的结构，在建筑中也得到了广泛的使用。
选择什么样的结构，要根据建筑的要求来确定。从宏观上看，跨度与高度是选择结构的主要依据，由于跨度与高度的变化，结构形式会产生较大的差异。可是在同样的跨度与高度前提下，并不是仅仅存在一种能够选择的结构，这是就要考虑多方面的因素，包括适用功能、美观效果与经济性等多方面。
结构设计是极其复杂的，力学计算仅仅是对于结构的计算简图与荷载简化模式的分析，实际结构的受力状况存在着大量的被忽略的内容。因此作为结构工程师，不能简单的依靠力学分析，更不能依靠计算机的计算结果，而应该根据力学与结构的基本概念，把握结构设计中宏观的结构体系与概念原则。这种宏观的结构体系与概念原则，就是结构设计中所体现的概念设计原则。特别对于结构的抗震设计，概念原则更为重要。
结构的经济性、效率与构件的形式
经济性与效率是现代设计的关键问题，也是价值工程的焦点——以最少的投入，获得最高的产出。在进行结构设计时也是同样，结构工程师要根据建筑师对于建筑空间的要求，以最简洁的结构与用材满足其要求，这就要求结构工程师能够精确的把握力学、材料以及施工工艺等多方面的知识与技巧，才能达到这一目的。
结构的经济性
在满足规范要求的坚固与安全前提下，结构工程师要全面综合考虑建筑物在施工与使用期间，所有一切因素所产生的经济效果。很难设想，一个不经济的结构能称得上好的设计。如前面设计原理所提到的，恰当的选择结构形式与构件尺度，是体现结构工程师专业水准的重要标志。
一个建筑物的经济性一般包括下列三大方面：
首先，建筑物的静态成本，即一般一般人们所认为的经济性概念。
虽然建筑物的成本费用，随时间、地点，建材生产与施工技术水平而不断变化，但在一定的时期与范围内，这些费用是相对固定的。
建筑物的静态成本，主要包括土建费用与建筑设备费用。它们与生产水平、施工技术、劳动效率等密切相关，先进的工业化国家的机械化程度高，材料价格低于劳力价格，因此大量采用预制装配化程度高的钢结构、预应力混凝土结构。发展中国家的劳力价格低于材料价格，故使用大量人力与小型机具施工，多采用砖石与钢筋混凝土结构。
当然造价也受到其它如抗震、防火等次要因素的影响。另外，造价也受建筑、结构、设备三专业的相互影响，不能专注于降低某一专业的造价，而不顾其它两专业的造价。
其次，建筑物的动态成本，即建筑物投入使用后，为保证其适用功能而进行的维护、修缮费用。
节省一次投资而造成长期维修成本高昂投入，或者其它连续性的问题的工程例子是很多的。维修成本包括建筑构造与结构的维护费（如露面钢材需要除锈刷漆等的保养与维修费）和保持正常使用环境（如采光、空调等）的能源与材料消耗费用。
另外，动态成本还应包括早日竣工投产、收回投资、加速资金周转等因素在内。
第三，建筑物的广义成本，即由于建筑物所产生的社会与环境问题及其成本。
虽然建设成本问题并不是大多数结构设计者所要考虑的，这属于投资决策问题。但在某些特殊问题上，结构工程师的选择是极其关键的。正如桥梁设计中桥高的选择一样：较高的桥面高度会带来巨大的投资增加；而较低矮的桥面高度虽然成本相对低廉，但会限制大型船只在桥下的通行，造成运输障碍。现在很多海湾都谋求建设跨海大桥，桥面的高度控制就是十分关键的建筑结构——社会效益问题，低矮的桥面可能使某些港口资源不能被充分的利用。
结构本身的投资是一个复杂的问题，在钢结构与混凝土结构的选择过程中，特别体现了这一点。这种投资比较不能是简单的、静态的、孤立的过程，一个成熟的设计师要在直接的材料成本、施工工艺成本、空间使用效率、建筑设备的协调、维修维护的费用、意外事件的安全性甚至拆除成本与回收价值等多方面来探讨结构的选择问题。
这没有一个唯一的答案，不同的建筑所处的情况与环境不同，结论也大相径庭。
C 延伸阅读：建筑经济学
结构的效率
所谓结构的效率是指结构所固有合理性——结构对于所承接的荷载进行传递时，其简洁性、实用性与可靠性。
建筑结构的最直接的目的是形成人工环境的空间体系，为此，结构构件以各种不同方式跨越空间，靠静力平衡来抗衡荷载并传递荷载，最终把力传到基础与地基上，这是结构设计的最基本任务。简捷有效的传力体系是设计的目标，为取得最高的承载效率，要做到：
1.提高传力的效率——一切荷载应尽可能的以最短路线取得平衡并传到地基；
2.保证材料的效率——一切结构材料应发挥出最大强度潜力，以抗衡荷载。
结构设计就是遵循着这些内在而必然的客观规律向前发展、不断进步、永无止境。自古至今，无论中外，一概如此，这是推动结构发展的内在规律。这些规律的中心是如何用材，即提高并发挥结构材料的最大效率。
传力效率
从长期实践验证中积累的经验，总结出一条最为基本的原理：传力不能走“弯路”——结构上的所有荷载，最佳传递路径是能被支座反力直接平衡——即从荷载作用点经过结构构件、支座到达地基的传力路线越短，则构件用料越少、结构自重越轻、经济效率也越好。
由此出发，来改进、寻求、探索更经济合理的结构型式。根据结构承荷传力路线的长短，其荷载平衡方式有直接平衡、间接平衡与迂回平衡三种。
1.直接平衡——既然荷载应以最短、最直接途径来达到平衡，那么二力平衡是最直接的平衡。如轴心受压柱中，荷载直接沿柱轴线以最简单，最直接，最短途径传入地基、达到平衡。
严格地按照力的最短途径来确定构件外形应是最经济方式，但在建筑中却很不现实，因形成跨度是结构的基本要求，而跨度的支座两端距离较大，外荷载与支座反力并不共线，总要走一定“弯路”才能传到支座上去。因此，建筑中的承荷传力很少以这种最直接平衡方式出现，而更经常以间接，甚至迂回平衡方式实现。
可是，力的间接或迂回传递，就意味着降低效率，付出代价与提高造价。一个设计者必须在初步设计时，就对结构的经济效率作出定性估价，全面权衡共得失。
2.间接平衡——是指经过间接的方式将荷载传递至支座上。虽非直接平衡，却是各类结构中最接近直接平衡，因而也是最好的承荷传力方式。拱结构与索结构，是很好地证明。
拱结构是古老的结构形式，依靠合理拱轴，将荷载转化为轴向压力。使用受压材料就能够形成较大的跨度，因此古代的桥梁多数采用拱结构。拱结构的出现能够常为结构工程历史上的一次革命性的飞跃，正是由于拱的出现，才能够使得在没有良好受拉性能材料的古代，就能够建设出大跨度的结构。而大跨度空间的出现，无疑推动了社会的进步。
但拱结构的问题在于：一方面，受压杆件特定的失稳效应会使拱结构不能做得更加轻巧；另一方面，合理拱轴还会因为荷载的变化为而变化，带有不确定性，因此唯一的办法就是加大拱结构自身的重量，是外部荷载在总荷载中的比例降低，以此来保证合理拱轴的近似性。这两方面的因素使得拱结构的传力效果虽好，但结构的效率却大大降低。另外拱结构的推力基础也使该结构在很多情况下难以实现。为了减小推力，拱结构变得更加高耸，有时还要依靠扶壁来实现。
在这点上，索具有特殊的优势，索以受拉为基本出发点，从根本上摆脱了受压失稳的可能性，而对于不同的荷载，也有着很大的适应性。索结构能够称为结构工程历史上新的革命。这是完全依靠拉力而形成的结构体系，对于材料强度的应用能够达到极限，能够形成更大的跨度。
可是，虽然悬索本身虽是拉力结构，但其支承结构——撑杆、立柱、压环，边缘构件等都是受压构件也要注意特殊问题。
拱与索结构的主要问题在于：该结构类型难以形成较为平坦的屋面结构，这就意味着采用这种形式难以作成多层结构。如果形成多层结构，必须形成平整的跨度空间，在此类空间中，梁是最佳选择。
3.迂回平衡——直线的梁是典型的迂回平衡结构——依靠受弯来形成空间。由于弯矩的作用在截面内会产生两种相反的应力，因此截面内材料的利用率较低。
为在梁下获得使用空间，梁两端必须支于墙顶上才能构成房屋，因此梁柱结构是承荷与传力方式中路线最迂回、效率最差的结构。
梁柱刚接的框架是梁柱结构中的改进型式，虽其弯矩峰值减少、差距缩小。迂回传力必然产生弯矩，使框架仍是以抗弯为主，抗拉压为次的结构。
材料效率
一切材料都应发挥出最大强度潜力，以材料所能承担的最理想方式、最大的应力作用来设计结构体系的内力，无疑是最有效率的。这可从以下四方面考虑：
1.选材合宜——各种结构材料受力特性不同，脆性材料耐压，钢材抗拉、抗压强度虽相等，但因高强而细长的压杆易失稳，故钢材虽然有很好的受压性能，但其作为受拉材料更为适合；钢筋混疑土与预应力混凝土是结合上两者长处的结构材料。
选料要根据所选结构类型的受力状态，以发挥材料之长处，而避开材料之弱点。例如，能够利用混凝土、砖石砌体建造较大跨度的拱式结构，能够利用高强钢丝建造大跨度的悬索结构等。
2.内力均匀——构件截面尺寸是按内力最危险截面的、应力最危险点来确定的，因此，内力与应力分布越均匀越好，这样结构的效率才高。构件内力峰值要小，且沿构件纵轴内力分布要均匀。内力分布均匀，各个理想设计截面会趋于相等，材料利用率在所有的截面都接近100%，施工也比较方便。内力不均匀，为了保证材料效率的发挥，各截面就会发生变化，施工困难，还会由于应力集中发生破坏。如果按照统一截面设计，就会形成浪费。
3.应力均匀——构件横截面上正应力分布要均匀，才能充分发挥材料的强度潜力。轴向力的作用结果，是截面上分布着均匀的应力。正应力分布不均匀的根本原因在于有弯矩的存在，弯矩越大、正应力分布越不均匀，因而也越不能材尽其用。
4.强度破坏——要让构件发生强度破坏，而不要在强度破坏前就产生压曲失稳。为保证压杆稳定，须加大按强度所需之截面尺寸，必然多用材料——结构受压的承载效果不如受拉。受拉力结构是材料效率最高的结构型式，在实际工程中很少能够将结构设计成只有拉力的结构。
在实际工程中，提高结构构件材料的使用效率所采用的方式有以下几种：
第一，尽可能的按材料的力学性能使用与优化使用材料，充分利用它的长处，避免和克服它的短处。
我们知道，每种建筑材料的力学性能是各不相同的，有的抗拉性能好，有的抗压性能好。在常见的建筑材料中，混凝土和砖石砌体的抗压性能很好，而抗拉性能却很差，其抗拉强度只有抗压强度的1／10，钢材的抗拉和抗压性能都很好。因此，应当根据结构的受力特点选择材料，扬长避短，钢筋混凝土就是一例。在钢筋混凝土结构中，钢筋起到了很好的作用。钢筋的作用不但仅是在受拉区承担拉力，布置于构件外侧的钢筋，还体现在使混凝土构件的整体性大大提高，限制与延缓裂缝的出现与开展，约束核心混凝土并促使混凝土出于对未受力状态，提高其强度与延性等功能。而劲性混凝土、钢管混凝土更是将钢材与混凝土的组和性能使用至极，大大的提高了混凝土的延性，是结构的抗震性显著加强。实践证明，钢材与混凝土的组合使用，是现代建筑材料的基本使用方式。
对于建筑结构的材料要求是轻质、高强、具有一定的可塑性和便于加工。特别是大跨度和高层建筑中，采用轻质高强材料具有极大的意义。在大跨结构中，恒荷载几乎占全部荷载的80％左右。
第二，由于结构中大量的构件是受弯构件，提高抗弯刚度是保证材料使用效率的基本手段。
对于抗弯刚度EI来讲，E为材料的弹性模量，不能改变，可是截面的几何特征I——惯性距却能够在截面面积不变，即材料用量不变的前提下大大提高。采用的方法就是：把受弯作用转化为轴向受力——把材料用到抗弯的最外边缘、获取尽大惯性矩，就形成敞腹截面的桁架梁上、下弦以轴向拉、压力构成力偶以抗弯矩，或者形成工字形截面，提高材料的使用效率。
第三，简化结构，提高效率。
能够将结构中效率较低、应力较小的部分去除，将其补充到发挥效率较高的部位上，一般称之为格构化。
由于构件轴心受力比偏心受力或受弯状态能更充分利用材料的强度，人们根据力学原理和材料的特性创造了多种形式的结构，使这些结构的构件处于无弯矩状态或减小弯矩峰值，使材料的抗拉、抗压性能得到充分的发挥。
从图中看出：轴心受力－构件截面应力均匀分布、材料强度得到充分利用；受弯构件应力分布不均匀，除上下边缘达到强度指标外，中间部分材料没有得到充分发挥。
因此应该把中间部分的材料减少到最低限度，把它集中到上下边缘此这样就形成了受力较为合理的工字形截面杆件。以承受集中荷载的简支为例，从想形截面改变为工字形截面，受力是较为合理了。再进一步，我们还能够把梁中部的材料挖去，形成三角形的孔洞，于是梁就变成了桁架结构。桁架的上弦受压，下弦受拉，它们组成力偶来抵抗弯矩；腹杆以所承受铀力的竖向分量来抵抗剪力。因此，桁架比工字形截面梁更能发挥材料的力学性能。
还能够看出，梁的弯矩图呈折线形（接近抛曲线），跨中最大，两端为零。矩形桁架各个杆 件的内力还是有大有小，不是每一根杆件的材料强度都得到充分的发挥，再进一步，把桁架的外轮廓线与弯矩图的形状一致起来，使受力将更加合理。
因此，在设计中应该力求使结构形式与内力图一致起来。在简化过程中，结构内的的应力迹线的走向与分布是布置格构杆件的依据原则，使杆件尽量处于受拉的主应力迹线上，能够获得最大的受力效果。
同时，为加大侧向刚度——压杆（墙、柱、撑、拱等）存在压曲失稳、拉杆（拉杆、悬索等）存在过于细长会柔软与颤动，平面结构（梁、柱、刚架、拱索等）存在过于单薄，要增设空间支撑或加大截面宽度。
综合抗弯与侧向刚度双重需要，为加大截面的高度与宽度，为材尽共用、把材料用到远离截面形心的上下与左右边缘、遂成格构式结构。构件格构化后的杆件，都是仅承受轴向拉力或压力的二力杆或起到稳定性的杆件。桁架是典型代表，能够使用桁架组成各种空间结构形式，达到设计目的。
构件的合理性是相正确，受力合理只是其中的一个方面。矩形截面梁，受力有不合理的一面，可是它的外形简单，制作方便，又有其合理的一面。在小跨度范围内，矩形曲面梁仍是广泛应用的构件型式之一。
梁、刚架、拱、索是最基本的四种结构型式，各类结构各有自己的跨度适用范围。一般情况下，应用最广，最常见、也最基本的梁多用于小跨，用于中跨的梁应与柱刚接形成刚架。索用于大跨。而拱，由于它宜于用砖、石、混凝土等耐压材料，故应用范围极广，能用于小跨，中跨以至大跨。
另外，结构型式的优选组合应该大大提倡。这种工程实例很多，其中美国雷里竞技馆（Raleigh,1953年）的结构体系就应该值得称颂。它是悬索结构和拱式结构的组合，是世界最早的双曲抛物面悬索屋盖。屋盖采用悬索结构，悬索的拉力传到两个交叉的钢筋混凝土斜拱上，斜拱受压。这个建筑不但受力合理，形成自平衡体系，索拱的材料强度充分发挥，基础很小，施工方便，而且造型美观。斜拱的周边以间距2.4m的钢柱支撑，立柱兼做门窗的竖框，形成了以竖向分割为节奏感很强的建筑风格。被认为是世界上第一座优秀的大跨度索网结构屋盖建筑，开创了现代建筑索结构的历史。
C 结构选型实例