结构

定义

在中国国家标准中，结构指能够承受和传递作用、并具有适当刚度的整体，它由各连接部件组合而成，俗称承重骨架^[1]。《工程结构术语标准》给出的表述与此基本一致，只把“作用”作为荷载与其他致变形原因的总称^[2]。工程结构则是房屋建筑、铁路、公路、水运、水利水电等各类工程中结构的总称^[2]。

从教学角度看，建筑结构被理解为构成一定空间与造型、并抵御人为和自然施加的各种作用力、使建筑得以安全使用的骨架^[3]。它通常由板、梁、桁架等水平构件与柱、墙体、框架等竖向构件组成，前者承担竖向荷载，后者支承水平构件并抵抗水平作用^[3]。

在国家术语体系中，“结构”属于工程结构设计通用术语中的一般术语，与建筑物、结构设计、结构安全等级、设计使用年限等概念并列，并由专门的术语标准加以统一和规范^[1]。国家标准《工程结构设计基本术语标准》以房屋建筑、铁路、公路、水运、水利水电5类工程为对象，把多个领域共同使用的术语归为通用术语并给出统一释义^[1]。

原理

结构的工作过程可以概括为“受力—传力—抵抗”。施加在结构上的集中力、分布力，以及温度变化、地基沉降、混凝土收缩等引起外加或约束变形的原因，统称作用；其中力直接施加的部分称为直接作用，也叫荷载，其余称为间接作用^[4]。作用在构件内部引起的反应称为作用效应，表现为弯矩、轴力、剪力、扭矩等内力，以及应力、应变、变形和裂缝^[1]。

设计中对作用按时间变异分类：在设计考虑的时期内始终存在且量值变化可忽略的为永久作用，如自重、预加力；量值随时间变化且变化不可忽略的为可变作用，如楼面活荷载、风荷载、雪荷载；不一定出现、一旦出现量值很大且持续很短的为偶然作用，如撞击、爆炸、火灾^[4]。地震动对结构产生的作用单列为地震作用^[4]。

构件层面的受力状态可分为轴心受拉、轴心受压、受弯、受剪和受扭等基本类型，不同材料适合承担不同的受力状态，因此结构设计要把材料放在最能发挥其强度的部位^[5]。以受弯梁为例，截面上下边缘应力大、中部应力小，把中部材料削减并集中到边缘即形成工字形截面，进一步挖去腹板材料则演化为桁架，杆件主要承受轴力而弯矩与剪力很小^[5]。

结构体系可分解为三个层次：体系的总体类型、结构的分体系，以及结构内部荷载传递方式与平衡时的内力状态即受力形态；外部约束、构件间连接形式和构件间受力分配共同决定受力形态^[6]。结构分析的可靠性取决于计算模型、简化假定与边界条件能否反映真实受力状态，模型中的几何非线性、动力作用、阻尼等因素需按影响程度取舍^[4]。

发展历程

结构设计方法经历了由经验到概率化的演进。早期采用容许应力法，即要求标准值作用下结构或地基的应力不超过规定容许应力；随后出现安全系数法，以抗力标准值与作用效应标准值之比不低于规定安全系数为准则；现代则普遍采用极限状态设计法，要求结构不超越规定的极限状态^[4]。

在术语规范方面，国家标准《工程结构设计基本术语和通用符号》与《建筑结构设计术语和符号标准》的术语部分被合并修订，形成后来的《工程结构设计基本术语标准》；修订中取消了原标准术语570余个、新增520余个，术语总数达1080余个，并于2015年5月1日起实施^[1]。该标准参照了国际标准化组织的《建筑和土木工程词汇》与欧洲规范《结构设计基础》的有关规定^[1]。

进入21世纪，结构设计的目标被明确为安全性、适用性与耐久性三方面，并要求结构体系具备完整性和一定容错能力，避免局部构件失效引发整体失效，同时需考虑火灾等偶然情况下规定时间内的承载力与整体稳固性^[4]。土木工程基本名词也在2003年由全国科学技术名词审定委员会审定公布，其中包含结构工程、建筑结构等部分^[7]。

应用

按建筑材料划分，常见结构包括以混凝土为主要材料的混凝土结构、由块体与砂浆砌筑的砌体结构、以钢材为主的钢结构以及以木材为主制作的木结构，此外还有铝合金结构、竹结构、生土结构等类型^[2]。混凝土结构内部又可分为素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土，以及现浇与装配式等做法^[2]。

按主体结构体系划分，常见形式有以墙体承重的墙体结构、由梁柱刚接而成的框架结构、框架—剪力墙结构、筒体结构，以及桁架结构、拱结构、网架结构、薄壳等空间薄壁结构、悬索结构与薄膜结构^[3]。框架结构的梁柱形成房屋骨架，墙体只起分隔作用，房间布置较灵活，多用于住宅、办公楼、商店和多层厂房^[8]。

不同受力体系适用于不同跨度与材料。拱在竖向荷载下主要产生压力，可用石材、砖、混凝土等抗压材料建造，但拱脚需基础提供较大水平推力；悬索在竖向荷载下主要产生拉力，多采用高强度钢索，作为屋盖时需另设稳定索以保证形态稳定^[8]。桁架杆件纤细、自重较轻，在大跨度公共建筑的屋盖中应用较多，网架则因杆件不在同一平面内而属于空间受力体系^[8]。

薄壳属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴力，材料强度利用充分，厚度可以做得很薄，常用于展览大厅、飞机库、食堂、厂房和仓库等较大跨度建筑的屋盖^[8]。在工程类型的层面，结构概念同样覆盖铁路的轨道、路基、桥涵、隧道，公路的路面与桥涵，水运的码头与防波堤，以及水利水电的挡水、泄水建筑物等^[1]。

局限

结构的安全以设计规定的条件为前提。不同用途的结构在体系、布局和荷载取值上差异很大，结构须按设计规定的用途使用；若改变用途，则需经设计复核并采取必要措施^[4]。设计使用年限也是对使用期限的规定，指结构或构件不需大修即可按预定目的使用的年限，超出后其性能不再由原设计保证^[1]。

结构分析依赖简化和假定，计算结果与真实受力之间可能存在偏差。计算模型的边界条件、节点连接刚度、几何非线性、材料非线性等因素都会影响结果，当材料进入弹塑性或塑性状态时须改用相应理论，而承载力由脆性破坏控制时塑性理论并不适用^[4]。

各结构体系都有其适用的跨度与层数范围。简支梁难以做到超百米跨度，而跨度仅数十米的桥梁采用悬索体系通常也不经济，超出体系合理范围就需要付出较大代价^[6]。材料性能同样构成约束：砌体抗压强度较高而抗拉强度很低，构件多以轴心或小偏心受压为主；钢索虽抗拉强度高却较为柔韧，在风荷载下容易摇摆，用作屋盖时须采取稳定措施^[8]。

此外，结构设计还受耐久性与环境条件限制。环境条件对耐久性影响显著，设计阶段即需评估结构所处环境并采取相应措施，才能保证在设计工作年限内正常使用^[4]。

参见

• 工程结构设计 —— 确定结构选型、材料、分析计算与构造的工作总称。

• 极限状态设计 —— 要求结构不超越规定极限状态的设计方法。

• 混凝土结构 —— 以混凝土为主要材料制成的结构。

• 钢结构 —— 以钢材为主要材料制成的结构。

• 框架结构 —— 由梁柱刚性连接组成承重骨架的结构体系。

• 悬索结构 —— 以受拉钢索为主要受力构件的结构体系。