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0;弯矩图一样.这样才能处处无弯矩.如果有弯矩,索的形状必定继续改变,直至无弯矩.这就是索与其它结构所不同的最大特点,也是优点.为了使荷载变化对结构不致影响过大,需将活荷载限制在一定范围内.对于工业与民用建结构活载所占比例约为10%.还有一点需要说明的是,对于柔性体系(索、膜),大多数情况下需施加预应力,才有刚度.有时应力是靠外荷载提供的(即重力刚度法),不同情况不同处理方法.因此索、膜体系是完全另一种建筑结构形式,设计思路与劲性结构有本质区别.图1g显示按照索特点设计的国际上极为热门的张拉整体结构(Tensegritystructure)、索穹顶、以及我国自行开发研制的劲柔索张拉穹顶结构的示意图.

图1中显示,不论什么形式的结构,其截面上的内力如不考虑水平支反力产生的内力是一样的.所不同的是：对拱结构来说,多加了一对水平推力,对索结构则多加了一对水平拉力.其他内力与简支梁相同.既然最危险的是弯矩,建筑师和结构工程师的共同追求是能通过结构形式的改变将弯矩转变成构件截面轴拉力或压力.数十万年建筑结构的发展进程证实了确实如此.下面看看建筑结构的发展实例：

⒈土、石堆砌结构(公元前古埃及金字塔,美洲雅玛金字塔等.公元前3000年)

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公元前3000年在尼罗河三角洲建造了一系列金字塔.其材料均采用受压强度高,经久耐用的石材.结构形式简单明快,体积高大(胡夫金字塔高146.6m,底边长230.35m).从结构观点看,它受力极为简单,只有压应力.然而采用了大量石材和人力,却没有得到有效的使用空间,内部狭小空间别无它用.以后随着生产力的发展,社会需求的提高,为了提高空间利用率,加大跨度,采用如下结构形式：

⒉梁、板结构(以受弯为主,提供较大跨度和空间)

梁(二维)、板(三维)结构多采用木材,因石材受拉强度远低于受压强度,故不适用于承受弯矩,因此采用拉、压强度基本相等的木材.见图4、5.图4石梁受弯能力小,故跨度小,石柱密布.图5中国式屋盖木构架,还是简支梁的受弯方式,而不是轴力为主的桁架,从力学观点看不甚合理,浪费材料.因此必须通过结构形式的改变,将弯矩转化为轴压力才是使用木材的唯一出路,才能获得较大跨度和空间.但从材料的角度看,木材作为梁、板结构,也存在一些缺陷：

⑴木材是有机物,在空气中容易逐渐老化,怕酸、碱、盐等化学物质侵蚀.

⑵易受细菌腐蚀；受白蚁老鼠吞噬.

⑶是易燃物质,不耐高温,极易发生火灾.

⑷不经久耐用,化学、物理稳定性差.

⑸横纹强度低于顺纹强度,故各向异性.

木构架结构形式作为屋盖体系,还是以承受弯矩为主,轴力为辅.受力形式不甚合理.结构学的发展促进了力学发展,自19世纪末国外已广泛使用桁架.它有效地将弯矩直接转化为上、下弦的拉、压轴力,剪力则由斜腹杆的轴力平衡.因此它比实腹梁有效,自重轻,节约材料.桁架从整体看受弯,但组成桁架的杆件却受轴力.近代由于空间结构的使用,图1d中桁架(二维结构)又发展为网架(三维结构).此类结构都是将弯矩转化为杆件轴力,提高材料利用率.我国于20世纪40年代至20世纪70年代广泛采用桁架,20世纪70年代后,我国网架普及很快,大量使用.最大桁架跨度为192m(金江大桥),网架最大跨度为153m(首都机场四机位机库).

生产力发展要求跨度越来越大,16世纪以前尽管还没有结构力学,拱形结构已成功地大量使用,那是人类经数十万年实践的结果.拱、壳结构虽然可将弯矩减少,因为它是劲性结构,体形已经事先确定,而荷载随时可变,尤其是活荷载,因此,对拱结构来说,截面上没有弯矩,只有轴力才是设计者的最终追求目标.但由于拱结构的特点,这个目标不可能完全达到.拱截面还必须能承受一定数量的弯矩、剪力,才能正常工作.20世纪60年代我国建成一系列拱结构、壳体结构,长期的工程实践,发展了拱、壳结构.不论这种实践是自觉的,还是不自觉的、偶然的,但结果是非常有效的,可以使用脆性材料,如20世纪60年代,推广使用“干打垒”就是用土、泥、砖砌筑的,解决了当时缺材、少料、资金短的应急问题.

建筑结构自考论文怎么写
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拱(二维)、壳(三维)结构

不论中国还是外国的古代人都不约而同的采用拱壳结构形式来代替不能胜任覆盖大跨度的梁板结构.从图-1可以看出,拱结构的支座水平反力对任一截面都产生负弯矩,抵消了大部分荷载产生的正弯矩.结构将以受压为主.拱结构的几何形状提高了结构抵抗外荷载产生的弯矩,能覆盖较大空间.见图6.

拱结构尽管有许多优点,外形也很美观.由于荷载的变异性,拱截面上有时不可避免的存在弯矩,这就制约了它的跨度进一步增加.因此出现了受力更为合理的索结构.

进入20世纪60年代我国建成了几个索结构.如北京工人体育馆,浙江杭州体育馆等.之后沉寂了近30年,20世纪80～20世纪90年代又开始兴建了一批索结构.索膜结构严格来说不能称之为“结构”,索体系的自由度为无穷大,应属“机构”.它是由处处为铰链连接的柔性构件组成,是几何可变体系.正是因为它几何可变,每个截面不能承受弯矩,它才能自动将弯矩、剪力转化为轴向拉力.这就是索体系的特点,也就是和普通劲性结构不同的关键之处.按照现代索理论设计的大跨度索结构已达到很高水平,2000年建成的日本明石海峡桥跨度达1991m.见图7、8、9.膜体系是索体系的三维体系,且处处连续.索、膜体系特点相同.这是掌握此种体系的关键.它的一切分析方法均出于此特点,比如找形、施加预应力、荷载分析、下料、剪裁、焊接等.见图10、11、12.

上面介绍的建筑结构形式发展,必定符合“更好地将荷载产生的弯矩转变为轴向拉、压力”这一原则、这一客观规律.它包括了建筑和结构两个方面长期实践的结果,并统一从力学观点加以论述,说明这种发展过程是必然的,不以人们意志为转移的客观规律,不论有意识,还是无意识,不论有理论还是没理论,都不能违背这一自然规律.

总之,建筑、结构发展是相互依托,相互促进,相互支持,达到共同进步.在目前大跨结构、大覆盖面积、高层、超高层结构成为建筑结构主流的今天,一旦掌握了建筑结构发展规律,即可灵活运用此规律主动地开发出合理的新结构,而无须经过盲目的长期探索.

作者单位：北方交通大学

收稿日期：2002年5月

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