結構工程

什麼是結構工程?

結構工程是工程學的一個分支，涉及各種結構體系的分析和設計。儘管這一工程分支對機械工程、航空工程等其他學科有影響，但它通常被歸類為土木工程。結構工程涉及支援人類土木工程所需的結構體系的概念、設計和建造。

"結構工程是一門藝術，將我們並不真正理解的材料塑造成我們無法真正分析的形狀，以承受我們無法真正評估的力，以一種公眾並不真正懷疑的方式。" 英國結構工程師 E. H. Brown 博士，摘自他的著作《結構分析》

工程師是將建築師或設計師的概念變為現實的無形力量。從廣義上講，建築師創造了定義我們生活和工作空間的流動的外殼 - 有時看起來像是違反了重力。工程師依靠物理科學創造一個連線元素的“骨架”，以支撐現實世界中的外殼。他或她使用物理定律（平衡）來設計結構（部分和整體），以安全地支撐永久建築材料的重量、人員的移動以及雪和水的短期應用。這些被定義為垂直“重力”荷載（注意：參考與活荷載、恆荷載和短期荷載相關的主題），同時抵抗由於最壞情況下的比較而產生的自然力的“水平”作用；可能同時作用的風和地震事件。透過將結構錨定到由岩土（土壤）工程師推薦的足夠的基礎上，可以實現平衡。從上而下到基礎，工程師設計每個元素以及支撐元素組合的連線，以建立“結構” - 其元素的總和（無論是建築物、土壤擋土牆還是橋樑）。工程師遵循由州議會頒佈的建築規範，以制定保護生命安全的最低要求的法律。使用不同的建築材料（木材、鋼材、混凝土、砌體和/或專有連線件和結構體系）。 LQEngineer (討論) 2009年9月1日 05:13 (UTC)

結構工程活動

結構工程主要涉及兩個活動

1. 結構分析

2. 結構設計

結構分析

它涉及分析特定的結構體系。結構體系可以從簡單的體系（如梁、柱、板等）到更復雜的體系（如框架、橋樑、墩臺、基礎、擋土牆等）不等。分析的目的是估算或找到最終應力（或力），以便可以設計這些構件以承受作用在其上的荷載。

靜定結構分析

理想化結構

實際上，結構的精確分析永遠無法進行。理想化結構是一種保守地簡化結構體系元件的方法，同時保持其在荷載下的行為相同。這樣做是為了簡化計算。如果沒有理想化的結構，設計可能需要花費大量的時間……有時甚至變得不可能。對結構工程師來說，重要的是開發理想化結構的方法，以便進行分析。

共面結構的支座

結構構件由支座連線在一起，具體取決於工程師的意圖。最常用的三種連線型別是鉸鏈連線、滾輪支座和固定連線。鉸鏈連線提供垂直和橫向支撐，但不能提供彎矩反力。滾輪支座只能在一個方向上提供力的反力。固定連線提供垂直、橫向以及彎矩反力。

靜定桁架分析

通常使用節點法、截面法或圖形方法來進行。

結構構件中產生的內力

內力透過“切割”構件並將平衡方程應用於隔離的部分來找到。

纜索和拱

什麼是纜索和拱?

纜索是隻能承受拉力荷載的結構元件。

拱是能承受壓力荷載的結構元件。

靜定結構的影響線

影響線是表示結構上某一點的荷載函式變化的圖。例如，一輛卡車在橋上行駛

當卡車位於橋左側頂部時，右側支座幾乎感受不到荷載。影響線所代表的函式隨著卡車向橋右側移動而發生變化。當卡車接近右側支座時，右側支座的荷載逐漸增大，直到卡車到達最遠端，此時該端承受最大的荷載。靜定結構的影響線由直線組成。

撓度

結構物在各種來源的影響下會自然發生撓度。 結構工程師必須設計負載和溫度變化引起的撓度，因為它們是不可避免的。 必須進行設計以避免所用材料開裂。 製造或設計錯誤會導致結構失效，應透過精心計劃和分析避免。

在大多數情況下，結構物使用能夠承受設計載荷並且僅具有線性彈性響應的材料建造。 在這些條件下，載荷可能會導致撓度，但當載荷移除時，結構將恢復其原始形狀和強度。 超過線性彈性響應的超載可能會導致結構損壞和失效。 這稱為“塑性變形”。

彈性梁理論

如果材料是均勻的並且以線性彈性方式表現，我們可以推匯出一個非線性二階微分方程，當透過二重積分法求解時，可以給出作為 x 函式的解撓度。 我們必須假設 $dv/dx=0$ 相對於梁在 x 軸方向上的長度。

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

M = 梁的內力矩 E = 材料的彈性模量 I = 梁繞中性軸計算的慣性矩 v = 梁的撓度

二重積分法

當力矩可以表示為位置 x 的函式時，執行單次積分將得出梁的斜率作為 x 的函式，以及彈性曲線的方程。 執行二次積分將得出梁在任何 x 位置處的撓度

兩次積分將得出兩個積分常數。 使用邊界條件可以求解這些常數。

第一定理

如果彈性結構的應變能可以表示為廣義位移 qi 的函式； 則應變能相對於廣義位移的偏導數給出廣義力 Qi。

使用該定理，可以計算作用在結構上的廣義力。

第二定理

如果線性彈性結構的應變能可以表示為廣義力 Qi 的函式； 則應變能相對於廣義力的偏導數給出 Qi 方向上的廣義位移 qi。

使用該定理，可以計算結構的廣義位移。 **卡氏方法**通常指的是他第二定理的應用。

結構設計

結構設計是選擇所需尺寸的構件以使其在工作載荷下提供足夠的穩定性的過程。 結構設計師必須牢記兩個條件。 一是“穩定性”，另一個是“適用性”。 結構的穩定性意味著它可以令人滿意地抵抗作用在其上的載荷，並且結構不會立即倒塌（即，它提供了足夠的時間逃生）。 適用性指的是某些條件，這些條件是使結構保持可使用性所必需的。 例如，考慮一座能夠在不倒塌的情況下抵抗工作載荷的橋樑。 這是一個“穩定”的結構。 現在假設這座橋樑顯示出異常的撓度。 撓度可能如此之大，以至於橋樑感覺顛簸，並可能導致高速行駛的車輛轉向問題。 因此，這可能不會導致結構倒塌。 所以我們可以說結構是穩定的，但根據適用性標準，它是不適用的，因為人們可能會害怕使用這座橋。

在建築物和橋樑的地基和框架的設計和施工中，主要使用的材料是混凝土、鋼、木材和砌體。 鋼可以進一步細分為兩個小節：熱軋鋼和冷彎鋼。 冷彎鋼適用於厚度約為 1/8 英寸或更小的材料，這些材料在室溫下從平板中摺疊或輥壓成型成結構形狀。

安全係數

所有結構都必須設計為能夠承受所有可預見的載荷，並具有適當的安全係數。 顯然，在沒有內建安全裕度的結構上行走是不安全的。 考慮到這一點，大多數國家都制定了標準，規定了結構所需的最低安全係數。 最低值通常約為 1.7。 這不是為了容許超載或拙劣的施工。 如果有可能發生超載或拙劣的施工，則必須增加設計載荷以考慮超載，並且必須降低設計依據的材料強度以考慮拙劣的施工。 安全係數必須保持完整，因為它用於考慮意外事件和不可預見的情況。 如果結構磨損、鬆動、開裂或腐蝕，則應始終進行修復，以保持安全係數。