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建筑结构原理：从概念到设计（第2版）

作译者：赵玥

出版时间：2016-09 千字数：536 版次：01-01 页数：488

开本：16开装帧： I S B N ：9787121298516

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纸质书定价：￥98.0

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第2版前言

引?言  /  1
0.1?史前设计  /  1
0.2?传统设计  /  2
0.3?人类文明的影响  /   4
0.4?寻找对结构的理解  /   6
0.5?结构设计的现代方法  /  9
0.6?结构性能的概念理解  /  11
     参考文献—引言  /  13

第1章   荷载和荷载路径  /  14
1.1?永久荷载  /  14
1.2?可变荷载  /  20
1.3?偶然荷载  /  22
1.4?荷载小结  /  23
1.5?反作用荷载  /  26
1.6?荷载路径  /  33

第2章   内?力  /  41
2.1?轴向力  /  41
2.2?弯曲力矩和剪力  /  43
2.3?简单框架  /  48
2.4?平?板  /  53
2.5?荷载路径的结构行为  /  54
2.6?扭?力  /  58
2.7?小?结  /  60

第3章   结构构件特性  /  61
3.1?结构构件  /  61
3.2?应力与应力分布概念  /  63
3.3?轴向应力  /  70
3.4?弯曲应力  /  73
3.5?剪应力  /  82
3.6?扭转应力  /  83
3.7?弧形构件  /  87
3.8?组合应力  /  89

第4章   复杂应力概念  /  95
4.1?一维构件中的主应力  /  95
4.2?二维构件中的主应力  /  102
4.3?梁内剪应力的作用  /  105
4.4?梁截面形状的影响  /  110
4.5?双轴弯曲  /  115
4.6?开口截面的扭转和弯曲  /  118
4.7?复合构件和预应力  /  119
4.8?小?结  /  129
     参考文献—第4章  /  130

第5章   结构材料  /  131
5.1?材料性能的种类  /  131
5.2?结构材料的应用  /  134
5.3?土壤作为结构材料的特点  /  137
5.4?非结构效应  /  146

第6章   结构的安全与破坏  /  150
6.1?安全的基本概念  /  150
6.2?结构破坏类型  /  161
6.3?塑性性能  /  165
6.4?轴向不稳定性  /  172
6.5?结构理论之间的关系  /  182
     参考文献—第6章  /  187

第7章   结构的几何形状与性能  /  188
7.1?结构的几何形状  /  188
7.2?结构体系的性能  /  190
7.3?构架和框架  /  200
7.4?缆和拱  /  210
7.5?三维结构  /  213
7.6?轴向不稳定性的预防  /  214

第8章   简单建筑物的性能  /  218
8.1?基本结构与承载  /  218
8.2?屋顶和墙体  /  227
8.3?门式框架  /  231
8.4?抗风支撑  /  234
8.5?地面结构  /  237
8.6?基?础  /  237
8.7?小?结  /  239

第9章   结构实例  /  241
9.1?达勒姆大教堂  /  242
9.2?棕榈宫  /  249
9.3?萨苏埃拉竞技场  /  261
9.4?法国国家工业与技术展览中心  /  267
9.5?联邦储备银行  /  277
9.6?中国银行大厦  /  285
     参考文献—第9章  /  293

第10章   结构概念  /  294
10.1?建筑结构  /  294
10.2?构筑荷载路径  /  296
10.3?荷载路径的几何形状  /  300
10.4?整体结构性能  /  302
10.5?材料与构件的选择  /  307
10.6?构件连接  /  313
10.7?结构与建筑物构造  /  320

第11章   结构和建造形式  /  326
11.1?砖石穹顶和克里斯多佛?雷恩  /  326
11.2?骨架结构的出现  /  336
11.3?工程师、建筑师、装饰和理论  /  341
11.4?建筑师接受工程  /  345
11.5?幻想工程学  /  350
11.6?工程曲线结构  /  354
11.7?工程幻想成为现实  /  361
11.8?古根海姆，计算机和其他  /  372
       参考文献—第11章  /  377

第12章   简单算法  /  380
12.1?基本问题  /  380
12.2?单?位  /  381
12.3?有效荷载  /  383
12.4?梁和悬臂  /  386
12.5?更复杂的横梁  /  393
12.6?简单框架  /  398
12.7?计算梁和柱中的应力   /  401
12.8?三角形结构  /  406
12.9?挠度和刚度  /  409
12.10?细长度和轴向稳定性  /  415
12.11?四个简算案例  /  418
12.12?小?结  /  427
        参考文献—第12章  /  428

第13章   数学基础  /  429
13.1?函数与微分  /  429
13.2?积?分  /  435
13.3?轴向承载件  /  437
13.4?横向装载梁  /  442
13.5?一般梁构件  /  455
13.6?节点刚度  /  464
13.7?刚度法  /  469
13.8?小?结  /  477
       参考文献—第13章  /  478

延伸阅读  /  479

引?言

人类被自然和人工结构包围着。人们在这些结构中生存，在这些结构中活动，伴随这些结构用餐，于这些结构上休息，它们组成了我们生活中的每一部分。的确，人类、动物和植物都有其自身结构。但是在结构失效之前很少有人给予这些结构更多的思考。叉子弯曲，玻璃破碎，车辆在碰撞中损毁，以及并不常发生的建筑物和桥梁的坍塌。这些结构的破坏总会引起一些轻微的不便，例如一块玻璃碎片；但重要的是这也可能导致生命的逝去和巨大的经济损失，例如桥梁坍塌。
2011年9月11日，令世人震惊的世贸大楼恐怖袭击事件，不仅仅是最初的载满燃料的大型民用客机蓄意撞入大楼，更是随后导致的两栋庞大塔楼戏剧性地倒塌解体。全球都通过电视媒体看到了塔楼倒塌的一幕，这不仅夺去了无数人的生命，造成了主要城市的巨大混乱，而且也对全球的政治局势产生了不可磨灭的影响。原设计师已经考虑了飞机撞击的可能因素，但并不是实际发生的事故级别。因此清楚地知道结构是否足够牢固和坚硬是十分重要的。
对于任何结构设计师来说，不管是叉子还是桥梁，设计师都应该有足够的知识储备来确保所提议的结构在所有可以预见的合理使用中拥有足够的强度和坚硬度。同样也有一些辅助性的但又很重要的要求，例如建议使用的结构是否有负载力或足够耐用。
这些要求似乎都是非常合理的，但是要满足这些要求却不总是轻易可做到的。时代更替，人类采取多重策略来尝试和确保我们所使用的结构尽可能安全。

0.1?史前设计

在史前时代，人类几乎都过着小型的自给自足的群居生活。这种群居生活多是以群居打猎或饲养动物为生。他们通过利用自然材料和个人设计来制造人工制品和建造住所，这对每个群体来说都是典型的，如图0.1和图0.2所示，并且无止境地重复下去。我们无从得知这些设计是如何逐步形成的，更不知道它们如何被复制。
这些设计的起源是无从考究的，但是在无任何形式的说明记录下这些设计被重复建造使用。群体中的长者可以将他们的经验传授下去，并且建造过程也通常是一个群体活动。
由于这些群体的生活方式只随自然条件的改变发生临时变化（如干旱或风暴），所以并不需要对设计进行改变，而是需要了解如何使其结构变得更加牢固坚硬。

0.2?传统设计

公元前8000年，随着农业在亚洲西南部的出现，狩猎群居和放牧的生活方式逐渐消失。耕种的观念意味着群体在地理位置上开始固定；生产带来的农业剩余用于贮藏和防御对抗其他族群。耕种者从他们的生产能力中获得力量，成为了主流文化。
对更具有永久性的结构的追求推动了建造技术的进步，例如使用泥土、干土砖和一些木料。但是农耕一旦成为了主要生活方式，那么长时期内都不会再产生太大变化。这就意味着建筑形式和相关结构逐渐固定，因此每个不同地区都有了自己的传统。
传统建筑由经过特别培训的人员建造，这些人逐渐成为了工匠。随着城市和掌权人士的出现，这就需要新的不同形式的建筑和结构。然而，由于新的城市建筑依旧需要长的发展时期，所以这又导致了传统建筑方法的出现。
这些传统建筑在结构方面可以让人印象深刻，例如也门的七层建筑物或者英国的粮仓。这些建筑和结构是由缺乏科学知识甚至是阅读和书写能力的人建造的，但这些建筑物是实际存在的，这是基于当时工匠们的工作经验建成的。他们没有留下有关设计的思考过程，只是留下了一些建筑物。然而正如Bernard Rudofsky1所说的，这些建筑物的优美已经在时光中逝去，但我们仍然可以意识到它们是解决建筑中实际问题好想法的结果。
随着农耕社会的扩张和逐渐富有，一些村庄演变成为了较大的中心，这些中心成为了城镇后变成了城市。2城市是由新石器时代的村庄演变而来，在公元前3500年前，在美索不达米亚平原，印度峡谷和黄河以及尼罗河附近就有相当规模的城市了。

0.3?人类文明的影响

城市正是文明发展的表达方式，文明发展是一个演化过程而不是一个稳定文化，这包含了一些新的特殊群体，例如制定规则和宗教的上层集团，特殊训练的军队，以及新的形式管理机构和征收税款。这种发展意味着需要新的形式的建筑物：庙宇、仓库、城堡和其他建筑。许多这种类型的建筑都是十分有名的，例如埃及的金字塔、希腊的帕台农神殿和罗马的斗兽场，这些建筑物数不胜数。
因为不能再使用传统的方法，这就需要新的技术和设计工艺过程。我们对这些设计的工艺过程并没有确切的了解，但没有证据证明在1742年之前使用了任何形式的结构性能理论。3因为石结构几乎总是应用在这些纪念性建筑上，那么主荷载就是结构自重。因为这些建筑物建造都要使用很多年，即将发生的结构失效可以在工作过程中通过水泥石块的剥落和破损来预知，允许修复工作作为建筑物修建的一部分。然而，结构失效依旧会发生而且一些证据仍然存在。
例如斯奈夫鲁（统治期为公元前2613年—公元前2589年）是埃及的第一个国王。他开始建造一个坡度达到56°的金字塔。因为修建过程中的结构错误变得十分明显，因此坡度被迫改到了43°，以保证金字塔的完工。他因此建造了第二座金字塔，我们称之为红色金字塔，其坡度也达到了43°。现在这两座金字塔仍然存在。后来在吉萨地区发现的更著名的金字塔也有与红色金字塔同样的坡度。
大约在4000年以后，一项伟大的教堂建筑工程正在北欧进行，这导致了如今的哥特式教堂的存在。要实际了解结构设计的过程是如何进行的仍然十分困难，但这要求泥瓦匠在几何学方面具有专家水平，以确保整体的泥砖结构可以整体契合，尤其是在复杂的穹顶天花板系统中——“在讨论中世纪的建筑师的理性主义时可能会有一定程度的夸张，因为这需要系统组织知识，而可以肯定的是他们缺乏这种知识”。4因为这些工匠希望通过较高的结构，较大的窗户来颂扬神灵，那么砖石建筑的长细比问题就出现了。这种限制在位于法国北部博韦地区的圣彼得岛教堂中通过了验证，这座教堂被认为是所要修建的最大最高的教堂，但是在修建的过程中不同的部分倒塌了。这座教堂从未完工，只剩下一些颓垣断壁仍然矗立。近距离观察这些幸存的结构，我们可以发现很多损毁和修复的痕迹。
许多其他的著名大型建筑同样遭受了结构问题，例如伊斯坦布尔的圣索菲亚大教堂，罗马的圣彼得长方形大教堂和伦敦的圣保罗大教堂。事实上，伴随许多这种大型建筑的结构问题不应该对设计师做出批评，这些设计师创造了惊人的结构，可以历经风雨而不倒。
0.4?寻找对结构的理解

目前普遍被接受的观点是，一个物理现象的性能可以通过一个合理的科学方法来解释。这个观点是相对接近的，在过去通常使用奇妙的解释。然而，奇妙的解释并不能提供预见性信息，而这正是结构设计师所需要的。
合理和理性的解释这种观念是由希腊哲学家柏拉图（公元前428年—公元前348年）和亚里士多德（公元前384年—公元前322年）发起的，但另一位希腊人，阿基米德（公元前290/280—公元前212/211）被认为是理论力学的创始人。他的九本专著中的一本是《论平面图形的平衡》，这主要解决了重力的问题（见3.2节）和“杠杆原理”（见1.5节），但是现在仍然不是完全清楚这是他自己的成果，还是从较早的不知名作者处的抄袭。

直到乔丹斯普罗米修斯不可思议的工作，否则不会进一步地理解已经熟知并且已被证明了的理论力学。这是在文艺复兴时期中那些十二三世纪的数学专著中的作家的名字。在这项工作中讨论了杠杆的平衡性和重物在倾斜面上的运动。因此并不奇怪列奥纳多?达?芬奇（1452—1519）仍然致力于要理解结构。
目前流行的观点是列奥纳多?达?芬奇是一个艺术天才，且他也是一个发明者，但他的理想是成为一个被广泛认可的工程师和建筑师5，而且他也是通过工程来维持他的生活的。作为一个工程师和发明家，他并不比当代的工程师要好，例如弗朗西斯科?迪?乔治6，而且几乎所有的他著作中的技术图都是从其他地方抄袭来的。7然而，与列奥纳多?达?芬奇在一个方面是不同的，在15世纪80年代后期8，他开始意识到他应该对使用的材料有一个物理性能的了解，这可以让他的工程作品充满活力并有所改进。他在结构上进行了一系列的实验9并且试图从这些实验中形成总结。然而，我们并不知道这些实验是否为他提供足够的有用的信息。他的实验并没有公开，他的观察结果记录在了他的多本私人著作中，因此其他的工程师并不可能从中受益或者延续他的工作。
当做出有记录的进一步研究的时候，已经过去了100多年。随后两位划时代的人物西蒙?斯蒂文（1548—1620）和在当代更加著名的伽利略（1564—1642）双双通过其他的许多研究发现了结构活动。
斯蒂文正确地定义了力的三角形（如第12章所述），伽利略试图发现在弹簧中的秘密。
虽然斯蒂文和伽利略的成果双双发表了，他们的成果一直停留在科研的领域，并没有被当时的结构设计师所采纳。
工程材料的弹性或者弹力对于理解结构性能是非常重要的（如第5章所述），这是由罗伯特?胡克（1635—1703）和伊丹?马略特（1620—1684）各自独立发现的。胡克在1660年的时候就发现了这条定律但是直到1678年才发表，称为“力如伸长那样变化”，在之前的1676年曾经以拉丁语字谜ceiiinosssttuv的形式发表过。这就是目前工程师所知的胡克定律。马里特在1680年发表了这个结果，同样试图发现受载弹簧里的奥秘，但是他没有发现正确的结果。这就需要再等待另一个60到100年。

对于弹簧正确的力学描述需要微分计算，这是工程数学理论中的最重要的工具。这个同时分别由艾萨克?牛顿（1643—1727）和德国的数学家戈特弗里德?威廉?莱布尼茨（1646—1716）发现，然而他们都没有将其应用到结构理论中。
关于梁的数学理论的描述是由天才瑞士数学家莱昂哈德?欧拉（1707—1783）完成的，他主要关注的是“弹性曲线”的性能。10
欧拉发现的曲线并没有直接被工程师所采纳，这种曲线采用了如图0.14所示的形式，但是欧拉工作在长期的实践中被证明是非常重要的。更加详细的梁性能的描述是由法国数学家、物理学家和军事工程师查利?奥古斯丁?库仑（1736—1806）完成的。在1764年，他被派往位于西印度群岛的马提尼克岛，他在海岛进行了九年的建造防御工事工作。在此期间，他同样进行了大量的实验和理论研究，所有的这些成果都包含在他1776年发表的著名的文章中。11在第3.4节中的对于梁性能的概念描述就是基于他的实验结果。
因此最终来到18世纪末端的时候，已经有了可以用来预测简单梁的工程学性能的数学公式。在第3.5节中的对于剪切应力的理解在较晚的1858年完成，是由WJM?朗肯（1820—1872）12阐述的，（关于建成部分的剪切应力（如第4.3节所示，以I型梁为例）的描述要等到1950年左右）。13这个定律凝聚了几个世纪中最聪明人的思想。当然这个定律缺少相应的预测性功能，没有对全世界建筑物中使用的上千甚至是上百万的梁进行保护。这些梁的尺寸是由经验来确定的，利用一些拇指规则或者利用手来进行判定，就可能达到大多数的目的。在1826年，数学家和工程师CLM?纳维（1785—1836）的演讲稿发表了。14这些稿子是集合了目前已知的结构理论和原始的相关材料。在这些稿子中，纳维构建了一系列的关于弹性的数学理论，形成了现代方法的基础。

0.5?结构设计的现代方法

对于结构设计的现代方法是通过数字计算来验证可供选择的设计。这些计算是基于一些数学理论，来描述系统的物理特性。使用已知的数据，例如外形尺寸、荷载和所用材料的性能，就可以进行特定的计算。这种计算的结果则可以表明供选择的设计是否可以满足需求。
多名作者15,16所认为可以对结构进行数学计算的想法是起源于1742年罗马教皇十四世提出的要求，而这种想法是来自三位数学家对于罗马圣彼得大教堂圆穹顶开裂的原因而撰写的一份报告。根据斯特劳布的描述17，“这必将成为土木工程历史中一个划时代的行为”。
培训工程师的想法开始于1671年的法国，这得益于皇家建筑学院的建立，为教授建筑学的同时教授工程学。在1672年，法国工程兵（军队工程公司）成立了，在1716年成立了桥梁和道路军团。在没有任何教科书的情况下，数学教授贝利多尔（1693—1761）撰写了包括第一本工程学教材在内的几本教材。18在1747年建立了桥梁和道路学院是第一所工程院校，用来培训军队工程师。英国的第一所工程院校是在1741年伍立奇建立的皇家军事学院。约翰?穆勒（1699—1784）是该学校的第一任校长，他在贝利多尔的基础上编写了一本教科书。
伴随着这些事件，工业化开始飞速发展，生产廉价钢的方法出现（见5.2节所述）以及蒸汽技术的普及，从工厂到铁路都需要新的结构来承载此前无法想象的荷载。现在，与大量石材结构不同，新的钢铁结构与他们要承载的荷载相比是较轻的，而且现在也没有时间或者经费来考虑当一辆火车通过一座铁路桥的时候，这座桥是否会坍塌。

19世纪是现代方法大量涌现的一个世纪，因为人类最终发现了关于结构性能的正确理论，并且找到计算结构的可预见方法的实际需求。在这个世纪中，大量的数学家、物理学家和工程师提出了结构理论19，然而，要将这些理论实际应用到特定的工程中却愈加的困难。为了找出理论预测与实际性能的关系进行了大量的试验20，但是在整个世纪，尤其是下半个世纪，直到对特定结构进行充足的试验后，人们对基于数学计算的理论的信心逐步增强了。
19世纪著名的工程师，例如英国的罗伯特?斯蒂芬森（1803—1859）和伊萨姆巴德?布鲁内尔（1806—1859）21和法国的古斯塔夫?埃菲尔（1832—1923）计算了它们的结构。在没有现代计算工具的情况下，这些计算是通过手工计算。因此，为许多常见结构提供标准公式的手册就应运而生了，它们同时为梁、柱和板提供了可承受的荷载。

今天，详细的人工计算已经大面积被电脑程序计算所取代，然而，概念性的人工计算应该继续形成概念选择的基础。我们将在第12章讲述其过程。但是首先必须概念性地理解结构的性能。

0.6?结构性能的概念理解

      可以在不使用任何数学方法的情况下得到结构在荷载情况下的概念性理解。通过解答关于结构性能的一系列问题可以得到对结构性能的概念性理解。
??   结构的功能是什么？
对于这个问题最常见的答案就是承载荷载。而这个答案需要延伸到将荷载从一个地方传递到另一个地方，这称之为转移荷载。一个简单的案例就可以说明这种情况。当人们需要通过一条河流的时候，木板就可以作为一座桥梁。当人站在桥上的时候，他们的重量（荷载）就可以从不能直接支撑人重量的水面上的点转移到可以支撑的岸边。
木板的目的是将荷载承载的点转移到荷载支撑的点。木板通过作为一个结构来达到这样的目的。荷载转移的功能是所有结构的主要的目的，不论其是一把椅子还是第四铁路桥。
??   什么是荷载以及荷载路径？——见第1章
建筑物的荷载的来源是自然荷载的集合，这些荷载由自然界的雪、风、重力等因素形成，而那些由建筑物的特定用途所决定的荷载，称之有用荷载。在简单的木板桥的案例中，其自然荷载为桥梁自身的重量，而有用荷载为站在桥上的人的重量。
每一个建筑结构上的荷载最终由建筑物的地基来承载，地基是建筑物与“世界其他部分”联系的纽带。在木板桥的案例中，“世界其他部分”就是河床。一连串的结构部件将一个特定的荷载转移到地基称之为荷载路径。对于不同的荷载其荷载路径也不相同。例如在一座5层楼高的楼房中，站在一层的人的重量产生的荷载的荷载路径肯定与站在第四层的人的荷载有所不同。
??   结构如何转移荷载？——见第1、2、7章
结构可以传递荷载路径上每个构件中的力和构件相接处的力。
??   结构构件中的力是什么？——见第2、3、4、5章和第7章
认定结构构件中的力的方式不只有一种，然而在大多数的案例中，构件中的力可以认为是多种力的集合，例如沿着构件的力、穿过构件的力、让构件弯曲的力，有时也有扭曲构件的力。
概念分析的目的是为了区分在任何特定的构件、结构和荷载下，是上述的何种力在起作用。现代方法为这些力提供确定的数值，并通过已知的数据来检测是否每个构件可以支撑这些力，从而判断参考的结构是否满足条件。
??   结构是否具有整体的稳定性？——见第6章
当人们假设他们自己用儿童的积木或者扑克牌来搭建塔，他们会将塔建造得越来越高直到它倒塌——“就像一堆纸牌”。这种整体稳定性的丧失可以以多种形式发生在建筑结构中，显然，这种问题必须避免。
??   有些部件是否太细长？——见第6章
如果一个圆柱是短粗的，在其上增加荷载最终会将圆柱压扁，但是如果圆柱是细长的，那么圆柱将在低于压扁荷载的情况下弯曲。对于一个满足要求的结构，在任何荷载路径中的细长的部件都必须标明，确保它们在一些情况下不会弯曲。

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