4．4　结构和结构失效

土木工程设施中的结构，是一个在空间和通道中用各种基本构件组合建成的机体，为土木工程设施的持久使用和文化美观的需求服务，为人民生命财产提供安全保障。

（1）结构的构件和类型

承受由荷载和作用在结构中产生的内力的是结构的构件（Structure　Member）。一般说来结构的基本构件有以下几种，以使用广泛程度为序，它们是（图4．9）：

图4．9　结构的基本构件

①板（Slab，Plate）　有较大平面尺寸但厚度较小的平面构件，通常水平方向设置，承受垂直于板面的荷载，以受弯矩为主，见图4．9（a）。

②梁（Beam）　承受垂直于其纵轴方向荷载的线形构件，其截面尺寸小于其长向跨度，以受弯矩和剪力为主，见图4．9（b）。

③柱（Column）　承受平行于其纵轴方向荷载的直线形构件，其截面尺寸小于其高度，以受压力和弯矩为主，见图4．9（c）。

④墙（Wall）　受平行或垂直于墙面方向的竖向平面构件，其厚度小于墙面尺寸；前者以受压力为主，见图4．9（d），后者以受弯矩和剪力为主，见图4．9（e）。

⑤杆（Rod，Bar）　承受轴向力（拉力或压力）的直线形构件，见图4．9（h），截面尺寸比长度小得多，多用于组成桁架结构，见图4．9（g）或网架，见图4．9（i）。

⑥拱（Arch）　承受沿其纵轴平面内荷载的曲线形（或折线形）构件，其截面尺寸小于其弧长（折线总长），以受压力和弯矩、剪力为主，见图4．9（j）。

⑦壳（Shell）　一种曲面形具有很好空间传力性能的构件，能以极小厚度覆盖大跨度空间，以受压力为主，见图4．9（k）。

⑧索（Cable）　以柔性受拉钢索组成的构件，直线或曲线形，见图4．9（f）。

⑨膜（Membrane）　以薄膜材料（如玻璃纤维布）制成的构件，只能承受拉力，见图4．9（l）。

由上述基本构件组成的结构（Structure）在土木工程中是丰富多彩的。例如在建筑工程中就有下列一些常遇的典型结构（图4．10）：

图4．10　建筑工程中房屋结构的各种形式示意

（a）墙体结构；（b）框架结构；（c）错列桁架结构；（d）筒体结构（也是框架－筒体结构）；（e）拱结构；（f）网架结构；（g）壳体结构；（h）钢索结构；（i）空间折板结构

在图4．10所示的各种形式的结构中，以墙为主体的称为墙体或筒体结构，见图4．10（a）、（d）；以梁、柱组成构架为主体的，称为框架结构，见图4．10（b）；将杆组成桁架或网架为主体的，称为桁架结构或网架结构，见图4．10（c）、（f）；以拱、壳或索分别为主体的，称为拱结构、壳体结构或钢索结构，见图4．10（e）、（g）、（h）；以多块平板折叠或空间折板为主体的，称空间折板结构，见图4．10（i）。

在桥梁工程中常见的则是梁式桥（图7．3～图7．5）、拱式桥（图7．6～图7．7）、刚构桥（图7．8～图7．9）、悬索桥（图7．10～图7．11）和斜拉桥（图7．12～图7．14）；它们分别都是由梁、拱、框架（梁和柱）、索作为主体形成的桥梁结构。又如，在隧道工程中可以见到各种衬砌结构（图6．2），它们也都是由一些连续延伸的圆形、椭圆形、曲墙形、矩形的拱体或墙体组成的结构。

（2）结构和材料的关系

无论什么结构都是由材料做成的。结构的受力、变形状态和它们所采用材料的力学性质密不可分。

当一个结构构件受力后，它所采用材料的每个单位面积上也将相应受力，称为“应力”，以σ表示；同时该构件还会发生变形，其材料每个单元发生的相应变形，称为“应变”，以ε表示。以均匀承受压力F，截面面积为A，长度为l的轴向受压构件为例，其压应力σ＝F／A；在产生压应力的同时，该构件有Δl的压缩变形，将Δl被l相除所得到的压缩率称为压应变ε＝Δl／l。

结构承受外荷载的能力，直接与所采用材料能够承受的应力相关。结构承受外荷载时的变形，也直接与所采用材料发生应变引起的结构总体变形相关。

（3）结构和地基的关系

无论什么结构都必须坐落在基础上，由基础将结构承受的全部荷载传给地基。受结构传来荷载影响的土层或岩层称地基（Ground）。地基内通常不是均一的土，而是若干层各类土（图12．3）。常见的土可分为6类：

①岩石　颗粒间牢固联结的、整体的或有裂隙的岩体；(www.daowen.com)

②碎石土　多数粒径大于2mm的土，按粗细又分块（漂）石、卵（碎）石、圆（角）砾；

③砂土　多数粒径大于0．075mm、小于2mm的土，按粗细又分砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂；

④粉土　颗粒粒径更细，黏性介于黏性土和上述非黏性土之间的土；

⑤黏性土　粒径比粉土更细，具有明显黏性的土；

⑥人工填土　回填土、垃圾、工业废料等。

各类土的承载力大体为100～400kN／m²（0．1～0．4N／mm²）。

对基础和地基应有以下认识：

①基础（Foundation）既是结构和地基的连接件，又是结构的一部分，也称下部结构；它的设置既要考虑上部结构的形式、规模、用途、荷载大小与性质，又要考虑下部地质条件、土层分布、土的性质和地下水情况。基础应搁置在坚实土层上，因搁置深度不同，可分为浅基础和深基础两类。浅基础如图4．11所示的独立基础、条形基础、筏形基础和箱形基础；深基础如本书第7章图7．21所示的桩基础和沉井基础、沉箱基础。不论浅基础还是深基础，它们都是由厚板、深梁、粗柱、厚墙作为基本构件组成的，这是因为土的承载力远低于结构构件所用材料强度的缘故。

图4．11　房屋结构的浅基础

（a）独立基础；（b）条形基础；（c）筏形基础；（d）箱形基础

1—基础梁；2—底板；3—顶板；4—外壁；5—内壁

②地基的土（Soil）是由固体矿物颗粒、水和空气三部分组成，称为土的三相，即固相、液相、气相。结构搁置在地基上，土体颗粒间的空气和水被挤出，颗粒间的距离变小，称地基压缩，同时结构发生沉陷。由于土的透水性不同，土体完成压缩过程的时间也很不一样，这就是结构搁置在地基上会在一段时间内发生沉陷（Settlement）的原因。一般砂土完成沉陷的过程较短；而黏土则很长，有时需几年甚至十几年。上述各类土的地基承载力（Ground　Bearing　Capacity），是指在保证地基稳定的条件下，地基压缩变形控制在房屋容许范围内时，地基单位面积上所能承受的最大荷载，单位是kN／m²或kPa。为了弄清地基的实际承载力和预计房屋沉陷的状态，就要掌握该房屋下各土层的基本物理力学性能，如土的天然松散密度、天然含水量以及反映土松密程度和压缩性能的指标——孔隙比、密实度、塑性性能等。

（4）结构的预定功能和失效

土木工程的任何结构都应该具有以下四项预定功能：

①能承受正常施工和使用时可能出现的各种内力（例如拉力、压力、弯矩、剪力、扭矩等）；

②在正常使用时具有良好的工作性能（例如不发生过大的挠度和侧向位移，不发生过大的不均匀沉陷，不使人感到晃动等）；

③在正常维护下具有足够的耐久性能（例如有抵抗酸类或盐类物质侵蚀的能力）；

④在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（例如有很好的抗地震能力）。

在这四项预定功能中，①和④是安全性；②是适用性；③是耐久性。“安全、适用、耐久”三者缺一不可，但安全第一。

结构的失效，意味着结构或者属于它的构件不能满足上述某一预定功能要求。结构的失效有下列几种现象：

①破坏　指结构或构件截面抵抗作用力的能力不足以承受作用效应的现象，如拉断、压碎、弯折等。

②失稳　指结构或构件因长细比（如构件长度和截面边长之比）过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。

③发生影响正常使用的变形　指板、梁的过大挠度或过宽裂缝；柱、墙的过大侧移；结构有过大的倾斜或过大的沉陷；人在室内有摇晃的感觉等。

④倾覆或滑移　指整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡而倾倒或移动的现象。

⑤结构所用材料丧失耐久性　指钢材生锈、混凝土受腐蚀、砖遭冻融、木材被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。