交通地理與網路科學/物理結構

簡介

物理結構是由零件組成的，並且經過加工或建造，特別是大型建築。它具有特定的空間功能，可以安全地承受建築物中各種正常載荷。在土木工程中，結構是由支撐元件（梁、柱等）組成的系統，可以承載載荷。

結構目的

物理結構有3個目的

(i) 滿足空間應用的要求。建築結構不僅是人類社會生活必不可少的條件，也是社會生活的 人工環境。

(ii) 抗禦自然和人工荷載的影響。建築物受到自然和人類施加的各種荷載和其他影響。支撐這些荷載和影響是結構的主要目標。具體來說，建築結構是為了確保建築物不損壞，不坍塌，使建築物長期保持足夠的穩定性和使用效能。

(iii) 充分發揮建築材料的作用。建築結構以建築材料（混凝土、水泥等）為基礎。結構是各種建築材料的有機結合。

關鍵結構要素

水平結構元件

樓板：樓板是直接承載建築結構荷載的平板形構件。通常，它們具有較大的平面尺寸和較小的厚度。樓板屬於彎曲構件。上部荷載透過樓板傳遞到梁或牆。屋頂是一種樓板。

梁：梁是線形構件，在垂直方向承載垂直荷載。它們是樓板和柱之間的支撐構件。梁也屬於彎曲構件，承載來自樓板的荷載並將其傳遞到柱子。

垂直結構元件

柱和牆：柱和牆都是承重構件，用於抵抗壓縮。柱是線形構件，承受平行於其垂直軸方向的荷載。牆是垂直支撐構件，承受平行於牆方向的荷載。

基礎：基礎是地下結構構件，將上部結構（如柱和牆）的荷載傳遞到地面。與其他垂直安裝構件一樣，基礎也是一種抗壓構件。

結構建議

土木工程師設計結構以滿足以下三個要求

(i) 穩定性。穩定性意味著結構應該能夠承受正常的設計、施工和使用過程中可能發生的各種影響。透過這些影響（如地震），結構仍然能夠保持必要的整體穩定性和安全性，不會坍塌。

(ii) 使用效能。使用效能是指建築結構的正常使用，結構構件應保持良好的工作效能，不應因變形、裂縫或振動等現象而影響使用。

(iii) 耐久性。耐久性是指建築結構在正常使用和維護的情況下。結構構件應具有足夠的耐久性，並保持建築物的功能直到設計使用年限，不會出現材料嚴重腐蝕、風化、開裂（當保護層構件過薄或過寬時）等現象。耐久性取決於結構所在的環境和設計使用年限。

結構網路

網路形結構主要有兩種型別：框架結構和桁架結構。

框架

在建築中，框架結構是由許多梁和柱組成的結構，可以承受建築物的全部荷載。由於傳統的磚牆支撐結構無法承受多層樓的荷載。框架結構常用於高層建築。除了自身重量外，框架結構中的牆不會承受任何額外的荷載。為了減輕框架的荷載，非承重牆通常是輕質牆。建造框架的常見材料是鋼、混凝土、木材和鋁。

框架結構的優點是空間分割靈活，自重輕，節約材料，抗震效果比磚結構好。與傳統的磚牆支撐結構不同，框架結構能夠由大跨度支撐大面積。它也很容易分割空間。只需要新增輕質牆就可以了。

然而，框架結構也有其缺點。隨著樓層數量的增加，柱子和基礎的承載能力會變得非常大。事實上，柱子和基礎有其極限承載能力，這意味著樓層不能無限增長。另一個方面是框架結構沒有有效的水平抵抗力。在考慮重風荷載時，這會導致較大的變形。一般來說，框架結構的極限高度約為 40 米。因此，最主要的缺點是它不能用於建造超高層建築。

桁架

桁架是梁或其他元件的組合，形成一個剛性結構。在結構工程中，桁架是一種結構，它“僅由二力杆組成，這些杆的組合方式使整個組合作為一個整體起作用”。“二力杆”是指力的作用點僅在兩個點的結構構件。 桁架的網格結構具有節點和連桿，與網路的元素相同。桁架通常被視為一個整體結構來承載上部荷載。桁架的這種用法類似於梁或樓板。在典型的環境中，外力與反作用力是一組節點。因此，杆件中的內力要麼是拉力，要麼是壓力。

空間桁架是一種由杆件組成的三維框架，這些杆件在端點處鉸接。由於其空間網格結構，它不能被視為簡單的板式結構。

與相同承載能力的混凝土梁相比，桁架的優勢在於自重輕、材料節省。