结构工程

什么是结构工程?

结构工程是工程学的一个分支，涉及各种结构体系的分析和设计。尽管这一工程分支对机械工程、航空工程等其他学科有影响，但它通常被归类为土木工程。结构工程涉及支持人类土木工程所需的结构体系的概念、设计和建造。

"结构工程是一门艺术，将我们并不真正理解的材料塑造成我们无法真正分析的形状，以承受我们无法真正评估的力，以一种公众并不真正怀疑的方式。" 英国结构工程师 E. H. Brown 博士，摘自他的著作《结构分析》

工程师是将建筑师或设计师的概念变为现实的无形力量。从广义上讲，建筑师创造了定义我们生活和工作空间的流动的外壳 - 有时看起来像是违反了重力。工程师依靠物理科学创造一个连接元素的“骨架”，以支撑现实世界中的外壳。他或她使用物理定律（平衡）来设计结构（部分和整体），以安全地支撑永久建筑材料的重量、人员的移动以及雪和水的短期应用。这些被定义为垂直“重力”荷载（注意：参考与活荷载、恒荷载和短期荷载相关的主题），同时抵抗由于最坏情况下的比较而产生的自然力的“水平”作用；可能同时作用的风和地震事件。通过将结构锚定到由岩土（土壤）工程师推荐的足够的基础上，可以实现平衡。从上而下到基础，工程师设计每个元素以及支撑元素组合的连接，以创建“结构” - 其元素的总和（无论是建筑物、土壤挡土墙还是桥梁）。工程师遵循由州议会颁布的建筑规范，以制定保护生命安全的最低要求的法律。使用不同的建筑材料（木材、钢材、混凝土、砌体和/或专有连接件和结构体系）。 LQEngineer (讨论) 2009年9月1日 05:13 (UTC)

结构工程活动

结构工程主要涉及两个活动

1. 结构分析

2. 结构设计

结构分析

它涉及分析特定的结构体系。结构体系可以从简单的体系（如梁、柱、板等）到更复杂的体系（如框架、桥梁、墩台、基础、挡土墙等）不等。分析的目的是估算或找到最终应力（或力），以便可以设计这些构件以承受作用在其上的荷载。

静定结构分析

理想化结构

实际上，结构的精确分析永远无法进行。理想化结构是一种保守地简化结构体系组件的方法，同时保持其在荷载下的行为相同。这样做是为了简化计算。如果没有理想化的结构，设计可能需要花费大量的时间……有时甚至变得不可能。对结构工程师来说，重要的是开发理想化结构的方法，以便进行分析。

共面结构的支座

结构构件由支座连接在一起，具体取决于工程师的意图。最常用的三种连接类型是铰链连接、滚轮支座和固定连接。铰链连接提供垂直和横向支撑，但不能提供弯矩反力。滚轮支座只能在一个方向上提供力的反力。固定连接提供垂直、横向以及弯矩反力。

静定桁架分析

通常使用节点法、截面法或图形方法来进行。

结构构件中产生的内力

内力通过“切割”构件并将平衡方程应用于隔离的部分来找到。

缆索和拱

什么是缆索和拱?

缆索是只能承受拉力荷载的结构元件。

拱是能承受压力荷载的结构元件。

静定结构的影响线

影响线是表示结构上某一点的荷载函数变化的图。例如，一辆卡车在桥上行驶

当卡车位于桥左侧顶部时，右侧支座几乎感受不到荷载。影响线所代表的函数随着卡车向桥右侧移动而发生变化。当卡车接近右侧支座时，右侧支座的荷载逐渐增大，直到卡车到达最远端，此时该端承受最大的荷载。静定结构的影响线由直线组成。

挠度

结构物在各种来源的影响下会自然发生挠度。 结构工程师必须设计负载和温度变化引起的挠度，因为它们是不可避免的。 必须进行设计以避免所用材料开裂。 制造或设计错误会导致结构失效，应通过精心计划和分析避免。

在大多数情况下，结构物使用能够承受设计载荷并且仅具有线性弹性响应的材料建造。 在这些条件下，载荷可能会导致挠度，但当载荷移除时，结构将恢复其原始形状和强度。 超过线性弹性响应的超载可能会导致结构损坏和失效。 这称为“塑性变形”。

弹性梁理论

如果材料是均匀的并且以线性弹性方式表现，我们可以推导出一个非线性二阶微分方程，当通过二重积分法求解时，可以给出作为 x 函数的解挠度。 我们必须假设 $dv/dx=0$ 相对于梁在 x 轴方向上的长度。

${\frac {d^{2}v}{dx^{2}}}={\frac {M}{EI}}$

M = 梁的内力矩 E = 材料的弹性模量 I = 梁绕中性轴计算的惯性矩 v = 梁的挠度

二重积分法

当力矩可以表示为位置 x 的函数时，执行单次积分将得出梁的斜率作为 x 的函数，以及弹性曲线的方程。 执行二次积分将得出梁在任何 x 位置处的挠度

两次积分将得出两个积分常数。 使用边界条件可以求解这些常数。

第一定理

如果弹性结构的应变能可以表示为广义位移 qi 的函数； 则应变能相对于广义位移的偏导数给出广义力 Qi。

使用该定理，可以计算作用在结构上的广义力。

第二定理

如果线性弹性结构的应变能可以表示为广义力 Qi 的函数； 则应变能相对于广义力的偏导数给出 Qi 方向上的广义位移 qi。

使用该定理，可以计算结构的广义位移。 **卡氏方法**通常指的是他第二定理的应用。

结构设计

结构设计是选择所需尺寸的构件以使其在工作载荷下提供足够的稳定性的过程。 结构设计师必须牢记两个条件。 一是“稳定性”，另一个是“适用性”。 结构的稳定性意味着它可以令人满意地抵抗作用在其上的载荷，并且结构不会立即倒塌（即，它提供了足够的时间逃生）。 适用性指的是某些条件，这些条件是使结构保持可使用性所必需的。 例如，考虑一座能够在不倒塌的情况下抵抗工作载荷的桥梁。 这是一个“稳定”的结构。 现在假设这座桥梁显示出异常的挠度。 挠度可能如此之大，以至于桥梁感觉颠簸，并可能导致高速行驶的车辆转向问题。 因此，这可能不会导致结构倒塌。 所以我们可以说结构是稳定的，但根据适用性标准，它是不适用的，因为人们可能会害怕使用这座桥。

在建筑物和桥梁的地基和框架的设计和施工中，主要使用的材料是混凝土、钢、木材和砌体。 钢可以进一步细分为两个小节：热轧钢和冷弯钢。 冷弯钢适用于厚度约为 1/8 英寸或更小的材料，这些材料在室温下从平板中折叠或辊压成型成结构形状。

安全系数

所有结构都必须设计为能够承受所有可预见的载荷，并具有适当的安全系数。 显然，在没有内置安全裕度的结构上行走是不安全的。 考虑到这一点，大多数国家都制定了标准，规定了结构所需的最低安全系数。 最低值通常约为 1.7。 这不是为了容许超载或拙劣的施工。 如果有可能发生超载或拙劣的施工，则必须增加设计载荷以考虑超载，并且必须降低设计依据的材料强度以考虑拙劣的施工。 安全系数必须保持完整，因为它用于考虑意外事件和不可预见的情况。 如果结构磨损、松动、开裂或腐蚀，则应始终进行修复，以保持安全系数。