结构工程

定义

结构工程研究的是土木工程中具有共性的结构问题，内容涵盖承重体系的选型、力学分析、设计理论与建造技术及相应的管理方法^[1][4]。这里的结构，指由建筑材料制成的各种构件相互连接组成的承重体系，用以承担房屋、桥梁、道路等工程设施上的各类作用，并把这些作用传到地基^[2]。因此，结构工程既指工程建设的对象，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动^[5]。

在学科划分上，结构工程是土木工程一级学科下的二级学科之一，与岩土工程、防灾减灾工程及防护工程、桥梁与隧道工程等并列^[6][3]。有学者把广义的结构工程理解为地表及浅表地壳内的一切人工构筑物，狭义上则主要指房屋建筑工程和桥梁工程^[7]。结构工程学科兼具理论性、实践性和多学科综合性，其基本要求是在技术先进、安全可靠与经济合理之间取得统一^[8]。

原理

结构工程的分析基础是结构力学与材料力学。设计时先确定结构上的作用(荷载)与作用效应 $S$，再估算结构抗力 $R$，二者之差构成极限状态函数 $Z=R-S$：$Z>0$ 表示结构可靠，$Z<0$ 表示结构失效，$Z=0$ 即处于极限状态^[9]。若把 $R$ 与 $S$ 视为随机变量，可靠指标 $\beta$ 可由二者的均值与标准差算出，失效概率则为 $P_f=\Phi(-\beta)$^[9]。

工程上普遍采用的是半概率的分项系数表达方式，即用荷载分项系数放大作用、用材料分项系数折减抗力，通过设计表达式把可靠指标控制在目标值附近^[10][11]。分项系数的取值与目标可靠指标、场地条件、结构基本周期以及各基本变量的统计参数有关，很难做到使所有情况下的实际可靠指标都与目标值完全一致^[10]。

结构设计还要区分两类极限状态。承载能力极限状态关系到结构或构件的破坏、失稳、倾覆，直接涉及人身安全；正常使用极限状态则关系到结构在正常使用下的变形、裂缝、振动等，影响使用功能与舒适度^[12]。我国现行建筑抗震设计规范即以可靠度理论为基础，采用极限状态设计法，并规定了设防水准与两阶段设计的要求^[9]。

发展历程

古代工程结构跨度很长，从公元前 5000 年延续到 17 世纪，主要材料是砖、石和木材，建造多凭经验，构件断面偏大、材料利用率低^[13]。中国山西应县木塔建于 1056 年，高 67.3 米，采用内外环状柱网的双层套筒式结构，历经多次地震仍保存完好；河北赵县安济桥净跨 37.02 米，用并列石条砌成拱券承重，是世界上较早的敞肩式拱桥^[13]。

近代结构工程大约从 17 世纪延续到 20 世纪中叶。1824 年英国人阿斯普丁取得波特兰水泥专利，19 世纪中期转炉炼钢术使钢产量大幅增加，为钢筋混凝土结构打下基础^[14][13]。1849 年法国园丁莫尼尔把铁丝与混凝土结合制作花盆，1875 年设计了第一座钢筋混凝土桥；1892 年埃纳比克发明了成套的钢筋混凝土建筑建造系统^[14]。1885 年美国芝加哥建成 10 层的家庭保险大楼，采用铁框架承重，被视为现代高层建筑结构的开端^[15]。

预应力技术方面，1928 年法国工程师弗莱西奈提出必须采用高强钢材与高强混凝土以减小预应力损失，并率先使用极限强度 1725 兆帕的高强钢丝，其后锥形锚具与楔形锚具相继发明，用于后张法工艺^[14]。1950 年国际预应力混凝土协会成立，借战后重建之机，预应力混凝土结构大量替代钢结构^[14]。高层结构体系此后不断演进：1968 年建成的约翰·汉考克中心促成筒体结构概念，1974 年建成的西尔斯大厦把筒体发展为束筒体系，1988 年建成的香港中国银行大楼则采用巨型空间结构体系^[16]。

中国在 19 世纪末逐步引入钢结构，初期以借鉴国外经验为主，中华人民共和国成立后材料生产、构件计算与施工技术才有明显进步^[14]。钢筋混凝土结构在民国时期已开始使用，计算方法基本来自西方国家，采用容许应力法^[14]。20 世纪 80 年代，在结构可靠度研究取得共识的基础上，制定了国家标准《建筑结构设计统一标准》(GBJ68-84)，提出以概率理论为基础的极限状态设计原则^[17]。

应用

房屋建筑是结构工程最直接的应用领域。多层与高层建筑中，水平荷载随高度增长而愈发重要，因此需要足够的承载能力与抗侧刚度，并以框架、框架-剪力墙、剪力墙、筒体等体系加以应对。框架结构平面布置灵活、可形成较大空间，但抗侧刚度小，属柔性结构；在框架中增设剪力墙后，水平荷载的大部分可由剪力墙承担，侧移明显减小。

桥梁与大跨结构是另一重要方向。19 世纪的大跨度建筑多出现在铁路车站与博览会建筑，结构体系从梁、连续梁、拱、桁架发展到超静定体系^[15]。第二次世界大战后，预应力混凝土、钢管混凝土、斜拉桥、网格结构、索膜结构、扁平流线型钢箱梁、多塔悬索桥等成果相继出现^[7]。混凝土结构的适用范围也从房屋、交通与水利工程扩展到近海工程、地下建筑、核电站安全壳等领域^[18]。

结构监测与检测加固已成为结构工程的重要应用方向。20 世纪 80 年代中后期起，各种规模的桥梁结构健康监测系统相继建立，用于验证设计假定、监视施工质量与服役安全^[19]。近年传感技术的前沿包括光纤传感器、实时定位、声发射与压电材料等，并已在超高层建筑、大跨桥梁、水利大坝、海洋平台等结构上布设^[20]。中国于 2016 年颁布了公路桥梁结构安全监测系统的技术规程^[20]。

局限

基于可靠度的设计方法本身存在限制。完整的全概率方法需要掌握各随机变量的精确概率分布，而荷载与抗力的统计资料往往不足，计算也较复杂，因此工程实践中多采用经过简化的近似方法或分项系数方法^[11]。分项系数按统一表达式确定后，也无法保证各类构件在实际工况下的可靠指标都与目标值吻合^[10]。

结构在服役期内性能会逐渐退化。环境荷载、疲劳、腐蚀与材料老化等因素耦合作用，使结构从整体到局部都可能产生损伤累积与抗力衰减，抵抗灾害的能力随之下降^[20]。以隧洞衬砌为例，服役前期混凝土强度可能随时间增长，达到一定年限后又因硬化等原因降低，可靠指标总体呈下降趋势^[21]。

监测手段也有其边界。已有监测系统中，传感器普遍存在耐久性不足、长期工作数据漂移失真、实用可靠性差的问题，数据管理与分析系统的应用范围和智能化程度也有限，导致造价可观的监测系统有时仅能作为安全判断的辅助参考^[20]。材料方面同样有约束，混凝土自重大、抗拉强度较低、抗裂性能差，在一定程度上限制了结构向更高、更大跨度发展。

参见

• 土木工程 —— 结构工程所隶属的一级学科。

• 结构力学 —— 结构工程分析与设计的力学基础。

• 极限状态设计法 —— 以可靠度理论为基础的结构设计方法。

• 结构健康监测 —— 对服役结构进行长期监测与状态评估的技术。

• 预应力混凝土 —— 结构工程中广泛使用的重要结构材料与工艺。

• 抗震设计 —— 结构工程中应对地震作用的设计内容。