交通地理与网络科学/物理结构

简介

物理结构是由零件组成的，并且经过加工或建造，特别是大型建筑。它具有特定的空间功能，可以安全地承受建筑物中各种正常载荷。在土木工程中，结构是由支撑元件（梁、柱等）组成的系统，可以承载载荷。

结构目的

物理结构有3个目的

(i) 满足空间应用的要求。建筑结构不仅是人类社会生活必不可少的条件，也是社会生活的 人工环境。

(ii) 抗御自然和人工荷载的影响。建筑物受到自然和人类施加的各种荷载和其他影响。支撑这些荷载和影响是结构的主要目标。具体来说，建筑结构是为了确保建筑物不损坏，不坍塌，使建筑物长期保持足够的稳定性和使用性能。

(iii) 充分发挥建筑材料的作用。建筑结构以建筑材料（混凝土、水泥等）为基础。结构是各种建筑材料的有机结合。

关键结构要素

水平结构元件

楼板：楼板是直接承载建筑结构荷载的平板形构件。通常，它们具有较大的平面尺寸和较小的厚度。楼板属于弯曲构件。上部荷载通过楼板传递到梁或墙。屋顶是一种楼板。

梁：梁是线形构件，在垂直方向承载垂直荷载。它们是楼板和柱之间的支撑构件。梁也属于弯曲构件，承载来自楼板的荷载并将其传递到柱子。

垂直结构元件

柱和墙：柱和墙都是承重构件，用于抵抗压缩。柱是线形构件，承受平行于其垂直轴方向的荷载。墙是垂直支撑构件，承受平行于墙方向的荷载。

基础：基础是地下结构构件，将上部结构（如柱和墙）的荷载传递到地面。与其他垂直安装构件一样，基础也是一种抗压构件。

结构建议

土木工程师设计结构以满足以下三个要求

(i) 稳定性。稳定性意味着结构应该能够承受正常的设计、施工和使用过程中可能发生的各种影响。通过这些影响（如地震），结构仍然能够保持必要的整体稳定性和安全性，不会坍塌。

(ii) 使用性能。使用性能是指建筑结构的正常使用，结构构件应保持良好的工作性能，不应因变形、裂缝或振动等现象而影响使用。

(iii) 耐久性。耐久性是指建筑结构在正常使用和维护的情况下。结构构件应具有足够的耐久性，并保持建筑物的功能直到设计使用年限，不会出现材料严重腐蚀、风化、开裂（当保护层构件过薄或过宽时）等现象。耐久性取决于结构所在的环境和设计使用年限。

结构网络

网络形结构主要有两种类型：框架结构和桁架结构。

框架

在建筑中，框架结构是由许多梁和柱组成的结构，可以承受建筑物的全部荷载。由于传统的砖墙支撑结构无法承受多层楼的荷载。框架结构常用于高层建筑。除了自身重量外，框架结构中的墙不会承受任何额外的荷载。为了减轻框架的荷载，非承重墙通常是轻质墙。建造框架的常见材料是钢、混凝土、木材和铝。

框架结构的优点是空间分割灵活，自重轻，节约材料，抗震效果比砖结构好。与传统的砖墙支撑结构不同，框架结构能够由大跨度支撑大面积。它也很容易分割空间。只需要添加轻质墙就可以了。

然而，框架结构也有其缺点。随着楼层数量的增加，柱子和基础的承载能力会变得非常大。事实上，柱子和基础有其极限承载能力，这意味着楼层不能无限增长。另一个方面是框架结构没有有效的水平抵抗力。在考虑重风荷载时，这会导致较大的变形。一般来说，框架结构的极限高度约为 40 米。因此，最主要的缺点是它不能用于建造超高层建筑。

桁架

桁架是梁或其他元件的组合，形成一个刚性结构。在结构工程中，桁架是一种结构，它“仅由二力杆组成，这些杆的组合方式使整个组合作为一个整体起作用”。“二力杆”是指力的作用点仅在两个点的结构构件。 桁架的网格结构具有节点和连杆，与网络的元素相同。桁架通常被视为一个整体结构来承载上部荷载。桁架的这种用法类似于梁或楼板。在典型的环境中，外力与反作用力是一组节点。因此，杆件中的内力要么是拉力，要么是压力。

空间桁架是一种由杆件组成的三维框架，这些杆件在端点处铰接。由于其空间网格结构，它不能被视为简单的板式结构。

与相同承载能力的混凝土梁相比，桁架的优势在于自重轻、材料节省。