戚豹林楠主編

吳國雄主審

建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

（建筑設(shè)計(jì)技術(shù)專業(yè)適用）

指導(dǎo)委員會規(guī)劃推薦教材

全國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會建筑與規(guī)劃類專業(yè)

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部『十四五』規(guī)劃教材

? ? 圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

建筑結(jié)構(gòu)選型：建筑設(shè)計(jì)技術(shù)專業(yè)適用 / 戚豹，林

楠主編 . —2 版 . —北京：中國建筑工業(yè)出版社，

2022.4

? ? 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“十四五”規(guī)劃教材　全國住房和

城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會建筑與規(guī)劃類專業(yè)指導(dǎo)

委員會規(guī)劃推薦教材

? ? ISBN 978-7-112-27330-0

? ? Ⅰ. ①建…? Ⅱ . ①戚… ②林…? Ⅲ . ①建筑結(jié)構(gòu)－高

等職業(yè)教育－教材? Ⅳ. ① TU3

? ? 中國版本圖書館 CIP 數(shù)據(jù)核字（2022）第 063712 號

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“十四五”規(guī)劃教材

全國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會建筑與規(guī)劃類專業(yè)指導(dǎo)委員會規(guī)劃推薦教材

建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

（建筑設(shè)計(jì)技術(shù)專業(yè)適用）

戚? 豹? 林? 楠? 主? 編

吳國雄? 主? 審

*

中國建筑工業(yè)出版社出版、發(fā)行（北京海淀三里河路 9 號）

各地新華書店、建筑書店經(jīng)銷

北京雅盈中佳圖文設(shè)計(jì)公司制版

印刷廠印刷

*

開本：787 毫米 ×1092 毫米? 1/16? 印張：191

/2? 字?jǐn)?shù)：408 千字

2022 年 4 月第二版? 2022 年 4 月第一次印刷

定價：49.00 元（贈教師課件）

ISBN 978-7-112-27330-0

（38165）

版權(quán)所有? 翻印必究

如有印裝質(zhì)量問題，可寄本社圖書出版中心退換

（郵政編碼 100037）

本書簡潔地?cái)⑹隽烁鞣N常見結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本理論以及原理，全面系統(tǒng)地介紹了力學(xué)基礎(chǔ)和建筑結(jié)

構(gòu)的形式，包括：混合結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、門式剛架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、

薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)、裝配式建筑等，對上述結(jié)構(gòu)選型分別介紹結(jié)

構(gòu)組成、受力特點(diǎn)、布置方式、適用范圍、構(gòu)造要點(diǎn)等，并給出工程案例輔助學(xué)習(xí)與理解。

本書適用于高職建筑與規(guī)劃類專業(yè)的學(xué)生，同時也可以作為土木建筑類專業(yè)大、中專教育教學(xué)的教材，

也可以作為有關(guān)工程技術(shù)人員的參考用書。

為更好地支持本課程的教學(xué)，我們向使用本書的教師免費(fèi)提供教學(xué)課件，有需要者請與出版社聯(lián)系，

郵箱：jckj@cabp.com.cn，電話：（010）58337285，建工書院 http://edu.cabplink.com。

? ? 責(zé)任編輯：楊? 虹? 尤凱曦

? ? 文字編輯：馮之倩

? ? 責(zé)任校對：姜小蓮

3

出版說明

黨和國家高度重視教材建設(shè)。2016 年，中辦國辦印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)新

形勢下大中小學(xué)教材建設(shè)的意見》，提出要健全國家教材制度。2019 年 12 月，

教育部牽頭制定了《普通高等學(xué)校教材管理辦法》和《職業(yè)院校教材管理辦法》,

旨在全面加強(qiáng)黨的領(lǐng)導(dǎo)，切實(shí)提高教材建設(shè)的科學(xué)化水平，打造精品教材。住房

和城鄉(xiāng)建設(shè)部歷來重視土建類學(xué)科專業(yè)教材建設(shè)，從“九五”開始組織部級規(guī)劃

教材立項(xiàng)工作，經(jīng)過近 30 年的不斷建設(shè)，規(guī)劃教材提升了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)

教材質(zhì)量和認(rèn)可度，出版了一系列精品教材，有效促進(jìn)了行業(yè)部門引導(dǎo)專業(yè)教育，

推動了行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

為進(jìn)一步加強(qiáng)高等教育、職業(yè)教育住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)教材建

設(shè)工作，提高住房和城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，2020 年 12 月，住房和城鄉(xiāng)

建設(shè)部辦公廳印發(fā)《關(guān)于申報(bào)高等教育職業(yè)教育住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)

“十四五”規(guī)劃教材的通知》（建辦人函〔2020〕656 號），開展了住房和城鄉(xiāng)

建設(shè)部“十四五”規(guī)劃教材選題的申報(bào)工作。經(jīng)過專家評審和部人事司審核，

512 項(xiàng)選題列入住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)“十四五”規(guī)劃教材（簡稱規(guī)劃

教材）。2021 年 9 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《高等教育職業(yè)教育住房和

城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)“十四五”規(guī)劃教材選題的通知》（建人函〔2021〕36

號）。為做好“十四五”規(guī)劃教材的編寫、審核、出版等工作，《通知》要求：

（1）規(guī)劃教材的編著者應(yīng)依據(jù)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)“十四五”規(guī)

劃教材申請書》（簡稱《申請書》）中的立項(xiàng)目標(biāo)、申報(bào)依據(jù)、工作安排及進(jìn)

度，按時編寫出高質(zhì)量的教材；（2）規(guī)劃教材編著者所在單位應(yīng)履行《申請

書》中的學(xué)校保證計(jì)劃實(shí)施的主要條件，支持編著者按計(jì)劃完成書稿編寫工作；

（3）高等學(xué)校土建類專業(yè)課程教材與教學(xué)資源專家委員會、全國住房和城鄉(xiāng)建

設(shè)職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部中等職業(yè)教育專業(yè)指導(dǎo)委員會

應(yīng)做好規(guī)劃教材的指導(dǎo)、協(xié)調(diào)和審稿等工作，保證編寫質(zhì)量；（4）規(guī)劃教材出

版單位應(yīng)積極配合，做好編輯、出版、發(fā)行等工作；（5）規(guī)劃教材封面和書脊

應(yīng)標(biāo)注“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部‘十四五’規(guī)劃教材”字樣和統(tǒng)一標(biāo)識；（6）規(guī)劃

教材應(yīng)在“十四五”期間完成出版，逾期不能完成的，不再作為《住房和城鄉(xiāng)

建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)“十四五”規(guī)劃教材》。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)W科專業(yè)“十四五”規(guī)劃教材的特點(diǎn)，一是重點(diǎn)以修訂

教育部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“十二五”“十三五”規(guī)劃教材為主；二是嚴(yán)格按照

專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求編寫，體現(xiàn)新發(fā)展理念；三是系列教材具有明顯特點(diǎn)，滿足不

同層次和類型的學(xué)校專業(yè)教學(xué)要求；四是配備了數(shù)字資源，適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的要

求。規(guī)劃教材的出版凝聚了作者、主審及編輯的心血，得到了有關(guān)院校、出版單

4

位的大力支持，教材建設(shè)管理過程有嚴(yán)格保障。希望廣大院校及各專業(yè)師生在選

用、使用過程中，對規(guī)劃教材的編寫、出版質(zhì)量進(jìn)行反饋，以促進(jìn)規(guī)劃教材建設(shè)

質(zhì)量不斷提高。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“十四五”規(guī)劃教材辦公室

2021 年 11 月

5

前? ? 言

結(jié)構(gòu)工程師對具體選定的結(jié)構(gòu)體系，一般都能進(jìn)行靜、動力學(xué)的力學(xué)分析、

構(gòu)件設(shè)計(jì)和整體設(shè)計(jì)。但在初步設(shè)計(jì)階段，對于建筑設(shè)計(jì)人員來說，在多種結(jié)構(gòu)

體系中決定采用何種結(jié)構(gòu)體系是十分棘手卻非常重要的實(shí)際問題。設(shè)計(jì)者必須在

對各類結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)、適用范圍及構(gòu)造要求進(jìn)行深入了解和掌握的基礎(chǔ)上，才能

做出合理的選擇。

本書較全面、系統(tǒng)地介紹了常用的建筑結(jié)構(gòu)形式，包括混合結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、

剪力墻結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、門式剛架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架

與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)、裝配式建筑等。對上述各種結(jié)構(gòu)形式

分別介紹其結(jié)構(gòu)組成、受力特點(diǎn)、布置方式、適用范圍、構(gòu)造要點(diǎn)等。編寫時力求

對各種結(jié)構(gòu)形式的系統(tǒng)歸納，給學(xué)生一個完整的結(jié)構(gòu)體系概念，同時又注意介紹國

內(nèi)外各種結(jié)構(gòu)體系的實(shí)例，鞏固和加深對這些概念的認(rèn)識，開拓學(xué)生的設(shè)計(jì)思路。

本書著重培養(yǎng)學(xué)生對各類常見建筑結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)識能力和分析能力，內(nèi)容覆

蓋面廣且有一定深度，涵蓋了大多數(shù)新穎建筑結(jié)構(gòu)體系，并且對建筑、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、

經(jīng)濟(jì)等諸方面及其相互關(guān)系都進(jìn)行了分析。特別對結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中的重要地位

進(jìn)行了深入分析，這對結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計(jì)等專業(yè)的學(xué)生來說是非常有意義的。書中

既有理論知識，又有很多新近的工程實(shí)例，能開拓學(xué)生的視野。教材的內(nèi)容也很

有新意，大跨度空間結(jié)構(gòu)、高層建筑新體系及裝配式建筑等一些章節(jié)對相關(guān)內(nèi)容

都作了很好的擴(kuò)展和歸納。一些新型結(jié)構(gòu)體系和最近的結(jié)構(gòu)理念已收錄在教材中。

目前適合建筑設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“建筑結(jié)構(gòu)選型”課程的教材尚不多見。本

書完全能滿足建筑設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)大綱的要求。它既具有教材的系統(tǒng)性，又對本專

業(yè)有關(guān)課程中重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行了提煉，并且反映了一些最新的科技成果。該書不

僅可以作為土木、建筑類專業(yè)大、中專教育教學(xué)的教材，也可以作為有關(guān)工程技

術(shù)人員的參考用書。

本書的特點(diǎn)之一是簡潔地闡述了各種常見結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本理論及原理，

而不僅僅滿足于向讀者簡單描述公式和方法；特點(diǎn)之二是結(jié)合近年來國內(nèi)工程的

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于各種常見的結(jié)構(gòu)體系都給出了典型的節(jié)點(diǎn)處理、設(shè)計(jì)實(shí)例和部分

設(shè)計(jì)施工圖，可供讀者參考其設(shè)計(jì)方法。本書第 1~4 章由江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院

林楠、康文梅撰寫；第 5~10 章由江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院戚豹撰寫；第 11~13 章

由江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院康文梅、林楠撰寫。本書由戚豹、林楠擔(dān)任主編，康文

梅擔(dān)任副主編，全書由重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院吳國雄主審。

由于編者水平所限，書中錯誤或不當(dāng)之處，敬請各方面的同行和讀者批評

指正。

目? ? 錄

緒? 論…………………………………………………………………………………… 1

0.1? 建筑物的功能要求 …………………………………………………………………… 3

0.2? 建筑結(jié)構(gòu)材料對結(jié)構(gòu)選型的影響 …………………………………………………… 9

0.3? 施工技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)形式的影響 ………………………………………………… 11

0.4? 結(jié)構(gòu)計(jì)算手段的進(jìn)步和設(shè)計(jì)理論發(fā)展的影響 …………………………………… 12

0.5? 經(jīng)濟(jì)因素對結(jié)構(gòu)選型的影響 ……………………………………………………… 13

0.6? “建筑結(jié)構(gòu)選型”課程的學(xué)習(xí)方法 ……………………………………………… 14

1? 力學(xué)基礎(chǔ) ………………………………………………………………………… 15

本章提要 ………………………………………………………………………………… 15

1.1? 靜力學(xué)基礎(chǔ) ………………………………………………………………………… 16

1.2? 力系的平衡問題 …………………………………………………………………… 27

1.3? 平面體系的幾何組成分析 ………………………………………………………… 37

1.4? 靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力 …………………………………………………………………… 41

1.5? 構(gòu)件失效分析基礎(chǔ) ………………………………………………………………… 51

1.6? 構(gòu)件應(yīng)力與強(qiáng)度的基本計(jì)算方法 ………………………………………………… 58

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 66

2? 混合結(jié)構(gòu)體系 …………………………………………………………………… 69

本章提要 ………………………………………………………………………………… 69

2.1? 混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍 …………………………………………………… 70

2.2? 混合結(jié)構(gòu)房屋的墻體布置 ………………………………………………………… 71

2.3? 混合結(jié)構(gòu)房屋的樓蓋布置 ………………………………………………………… 74

2.4? 混合結(jié)構(gòu)在房屋建筑中的地位與展望 …………………………………………… 77

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 78

3? 框架結(jié)構(gòu)體系 …………………………………………………………………… 79

本章提要 ………………………………………………………………………………… 79

3.1? 框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) …………………………………………………………………… 80

3.2? 框架結(jié)構(gòu)的類型 …………………………………………………………………… 80

3.3? 框架結(jié)構(gòu)的布置、柱網(wǎng)尺寸及構(gòu)件截面尺寸 …………………………………… 81

3.4? 框架結(jié)構(gòu)的運(yùn)用與建筑藝術(shù)技巧的配合 ………………………………………… 85

3.5? 框架結(jié)構(gòu)的適用層數(shù)和高寬比要求 ……………………………………………… 87

3.6? 無梁樓蓋結(jié)構(gòu) ……………………………………………………………………… 90

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 94

6

4 剪力墻結(jié)構(gòu)體系 ………………………………………………………………… 95

本章提要 ………………………………………………………………………………… 95

4.1? 剪力墻結(jié)構(gòu)的概念 ………………………………………………………………… 96

4.2? 剪力墻結(jié)構(gòu)體系的類型、特點(diǎn)和適用范圍 ……………………………………… 96

4.3? 剪力墻的形狀和位置 ……………………………………………………………… 98

4.4? 剪力墻的主要構(gòu)造 ………………………………………………………………… 101

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 108

5? 高層建筑結(jié)構(gòu) …………………………………………………………………… 109

本章提要 ………………………………………………………………………………… 109

5.1? 高層建筑的發(fā)展概況 ……………………………………………………………… 110

5.2? 高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制 ………………………………………………………… 122

5.3? 結(jié)構(gòu)選型與建筑體型的配合 ……………………………………………………… 132

5.4? 多層與高層房屋地下室的設(shè)置與基礎(chǔ)類型 ……………………………………… 133

5.5? 轉(zhuǎn)換層在多、高層建筑中的應(yīng)用 ………………………………………………… 136

5.6? 高層建筑塔樓旋轉(zhuǎn)餐廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 144

5.7? 高層建筑防火 ……………………………………………………………………… 148

5.8? 高層建筑結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 …………………………………………………………… 152

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 158

6? 門式剛架結(jié)構(gòu) …………………………………………………………………… 159

本章提要 ………………………………………………………………………………… 159

6.1? 門式剛架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍 ………………………………………………… 160

6.2? 門式剛架結(jié)構(gòu)的類型與構(gòu)造 ……………………………………………………… 162

6.3? 預(yù)應(yīng)力門式剛架結(jié)構(gòu) ……………………………………………………………… 169

6.4? 輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房簡介 ……………………………………………………………… 169

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 174

7? 桁架結(jié)構(gòu) ………………………………………………………………………… 175

本章提要 ………………………………………………………………………………… 175

7.1? 桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) …………………………………………………………………… 176

7.2? 桁架的外形與內(nèi)力的關(guān)系 ………………………………………………………… 177

7.3? 屋架結(jié)構(gòu)的形式與屋架材料 ……………………………………………………… 180

7.4? 屋架結(jié)構(gòu)的選型 …………………………………………………………………… 187

7.5? 屋架結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 ………………………………………………………………… 190

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 192

7

8? 拱結(jié)構(gòu) …………………………………………………………………………… 193

本章提要 ………………………………………………………………………………… 193

8.1? 拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn) ………………………………………………………………… 194

8.2? 拱結(jié)構(gòu)的形式與主要尺寸 ………………………………………………………… 196

8.3? 拱結(jié)構(gòu)水平推力的處理 …………………………………………………………… 200

8.4? 拱結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 …………………………………………………………………… 203

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 206

9? 薄殼結(jié)構(gòu) ………………………………………………………………………… 207

本章提要 ………………………………………………………………………………… 207

9.1? 薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) …………………………………………………………………… 208

9.2? 薄殼結(jié)構(gòu)形式與曲面的關(guān)系 ……………………………………………………… 209

9.3? 圓頂薄殼 …………………………………………………………………………… 211

9.4? 圓柱形薄殼 ………………………………………………………………………… 214

9.5? 雙曲扁殼 …………………………………………………………………………… 218

9.6? 鞍殼、扭殼 ………………………………………………………………………… 219

9.7? 薄殼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 ………………………………………………………………… 222

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 226

10? 網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)………………………………………………………………… 227

本章提要 ………………………………………………………………………………… 227

10.1? 網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其適用范圍 ………………………………………… 228

10.2? 網(wǎng)架、網(wǎng)殼的分類 ……………………………………………………………… 229

10.3? 網(wǎng)架、網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)選型 ………………………………………………………… 240

10.4? 網(wǎng)架、網(wǎng)殼的主要尺寸及構(gòu)造 ………………………………………………… 242

10.5? 網(wǎng)架的支承方式、屋面材料與坡度的設(shè)置 …………………………………… 245

10.6? 網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 ……………………………………………………… 249

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 256

11? 懸索結(jié)構(gòu)………………………………………………………………………… 257

本章提要 ………………………………………………………………………………… 257

11.1? 懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、組成和受力狀態(tài) …………………………………………… 258

11.2? 懸索結(jié)構(gòu)的形式及實(shí)例分析 …………………………………………………… 258

11.3? 懸索結(jié)構(gòu)的柔性和屋面材料 …………………………………………………… 263

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 264

12? 膜結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)……………………………………………………………… 265

本章提要 ………………………………………………………………………………… 265

12.1? 薄膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) ………………………………………………………………… 266

8

12.2? 膜結(jié)構(gòu)的形式 …………………………………………………………………… 267

12.3? 膜結(jié)構(gòu)的材料和設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 270

12.4? 膜結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)工程實(shí)例 …………………………………………………… 274

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 276

13? 裝配式建筑……………………………………………………………………… 277

本章提要 ………………………………………………………………………………… 277

13.1? 裝配式建筑的概念、特點(diǎn)及其發(fā)展 …………………………………………… 278

13.2? 裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 281

13.3? 裝配式建筑的工廠化生產(chǎn) ……………………………………………………… 284

13.4? 裝配式建筑工程案例 …………………………………………………………… 288

習(xí)? 題 …………………………………………………………………………………… 298

參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… 299

9

建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

緒? 論

2 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

結(jié)構(gòu)選型對于從事建筑設(shè)計(jì)的人員來說尤其重要，一個好的建筑設(shè)計(jì)方

案必須要有一個好的結(jié)構(gòu)形式作為支撐才能實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)形式的好壞關(guān)系到建筑

物是否安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀。

結(jié)構(gòu)選型不單是結(jié)構(gòu)問題，而是一個綜合性的科學(xué)問題。結(jié)構(gòu)形式的選

擇不僅要考慮建筑功能、結(jié)構(gòu)安全、方案合理、施工技術(shù)條件，也要考慮造價

上的經(jīng)濟(jì)價值和藝術(shù)上的造型美觀。結(jié)構(gòu)選型既是建筑藝術(shù)與工程技術(shù)的綜合，

又是建筑、結(jié)構(gòu)、施工、設(shè)備、造價等各個專業(yè)工種的配合，特別是建筑與結(jié)

構(gòu)的密切配合。只有正確、符合結(jié)構(gòu)邏輯的建筑才具有真實(shí)的表現(xiàn)力和實(shí)際的

實(shí)踐性，單純追求藝術(shù)表現(xiàn)而忽視結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)出來的建筑只能是藝術(shù)作品或

是虛假的造型而已。能充分利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)自身造型特點(diǎn)來塑造新穎且富有個

性的建筑藝術(shù)造型，才是一個成功的建筑作品。以建筑構(gòu)思和結(jié)構(gòu)構(gòu)思的有機(jī)

融合去實(shí)現(xiàn)建筑個性的藝術(shù)表現(xiàn)，這種高明和有效的手法，絕非是那種單純追

求裝飾趣味的做法所能比擬的。即使是從建筑藝術(shù)的角度來看，作為一個建筑

設(shè)計(jì)工作者，也必須努力提高自己運(yùn)用結(jié)構(gòu)的素質(zhì)、技術(shù)和技巧。

結(jié)構(gòu)選型課題的性質(zhì)要求從建筑師的角度去考慮問題。建筑設(shè)計(jì)一般分

三個階段，即方案階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段。在設(shè)計(jì)過程中，各

專業(yè)要密切配合、互相協(xié)調(diào)合作、不斷修改完善，以滿足建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等

各方面的要求。建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)全面了解各種結(jié)構(gòu)形式的基本力學(xué)特點(diǎn)及其適

用范圍，并盡可能熟練掌握。只有這樣，建筑師才能與結(jié)構(gòu)工程師有共同語

言，在創(chuàng)作建筑空間的時候才能主動考慮并建議最適宜的結(jié)構(gòu)體系，并使之與

建筑形象融合起來。也只有這樣，建筑師在設(shè)計(jì)領(lǐng)域才能比較自由地進(jìn)行創(chuàng)造

性工作。

建筑結(jié)構(gòu)是作為建筑物的基本受力骨架而形成的人類活動的空間，以滿

足人類的生產(chǎn)、生活需求及對建筑物的美觀要求。結(jié)構(gòu)是建筑物賴以存在的物

質(zhì)基礎(chǔ)。無論是工業(yè)建筑、居住建筑、公共建筑，還是某些特種構(gòu)筑物，都必

須承受自重和外部荷載作用（如樓面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和地震作用等）、

變形作用（溫度變化引起的變形、地基沉降、結(jié)構(gòu)材料的收縮和徐變變形等）

以及外部環(huán)境作用（陽光、雷雨和大氣污染作用等）。倘若結(jié)構(gòu)失效，將帶來

生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。建筑師在建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮如何更好地滿足

結(jié)構(gòu)最基本的功能要求。古羅馬的維多維丘（Vitruvius）曾為建筑定下基本要

求：堅(jiān)固、適用和美觀，至今仍是指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)的基本原則。在這些原則中，

又以堅(jiān)固最為重要，它由結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造所決定。建筑材料和建筑技術(shù)的發(fā)展

決定著結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，而結(jié)構(gòu)形式對建筑的影響最直接、最明顯。

在建筑學(xué)中，藝術(shù)和技術(shù)曾長期是一個統(tǒng)一體，現(xiàn)在越來越多地轉(zhuǎn)入工程

師的工作范圍。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各學(xué)科專業(yè)的分工越來越細(xì)，在建

筑工程范圍內(nèi)建筑學(xué)、城市規(guī)劃、建筑材料、工程力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、地基基礎(chǔ)

工程、施工組織和管理、施工技術(shù)、房屋建筑設(shè)備等許多學(xué)科發(fā)展都很快，各

門學(xué)科都有各自的研究范圍和重點(diǎn)，這對學(xué)科的發(fā)展十分重要。然而，建筑設(shè)

緒 論 3

計(jì)過程中過細(xì)的分工往往會導(dǎo)致人們從各自的專業(yè)著眼，而不能充分地從總體

方面考慮問題，在方案的最初階段各專業(yè)之間就可能經(jīng)常產(chǎn)生分歧和矛盾。一

棟成功的建筑是建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備工程師、施工人員等許多專業(yè)人員

創(chuàng)造性合作的產(chǎn)物，其中各專業(yè)的相互滲透、密切協(xié)調(diào)和配合十分重要。建筑

專業(yè)人員要做到：第一，對結(jié)構(gòu)有較全面的了解，與結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行充分的溝

通；第二，充分落實(shí)結(jié)構(gòu)工程師的建議，并兼顧設(shè)計(jì)及造價；第三，在方案階

段和初步設(shè)計(jì)階段將結(jié)構(gòu)選型作為一個重要的內(nèi)容進(jìn)行考慮，以決定建筑總體

方案和造型。

羅得列克·梅爾（A.Roderick Males）曾指出，“構(gòu)造技術(shù)是一門科學(xué)，實(shí)

行起來卻是一門藝術(shù)”。德國建筑師柯特·西格爾（Curt Siegel）說，“沒有將

建筑設(shè)想變成物質(zhì)現(xiàn)實(shí)的工程技術(shù)，就沒有建筑藝術(shù)”；他還指出“必須先有

一定的技術(shù)知識，才能理解技術(shù)造型。單憑直覺是不夠的。同樣對受技術(shù)影響

的建筑造型，沒有技術(shù)的指引，也不會完全理解。要想了解建筑造型的世界，

就必須具備技術(shù)知識，這標(biāo)志著冷靜的理智闖進(jìn)了美學(xué)的領(lǐng)域。如果想深入探

討具有決定性技術(shù)趨向的現(xiàn)代建筑的造型問題，就必須清楚地認(rèn)識到這一觀

點(diǎn)”。近幾十年來，世界各國不乏將功能完善、造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、現(xiàn)代工

藝等有機(jī)結(jié)合起來的建筑實(shí)例，創(chuàng)作了許多適用、新穎、先進(jìn)的建筑作品。然

而不容否認(rèn)，也存在不少以追求新奇效果、奇特怪誕造型的建筑實(shí)例，它們完

全拋棄了功能適用、經(jīng)濟(jì)合理的原則，讓結(jié)構(gòu)方案去適應(yīng)不正確、不合理的建

筑設(shè)計(jì)要求。

建筑方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型的構(gòu)思是一項(xiàng)帶有高度綜合性和創(chuàng)造性、復(fù)雜

而細(xì)致的工作，只有充分考慮各種影響因素并進(jìn)行科學(xué)的全面綜合分析，才有

可能得到合理可行的結(jié)構(gòu)選型結(jié)果。建筑物的功能要求、建筑結(jié)構(gòu)材料、施工

技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算手段的發(fā)展及經(jīng)濟(jì)因素是影響結(jié)構(gòu)選型的主要因素。

這一點(diǎn)業(yè)內(nèi)人士已達(dá)成廣泛共識，下面將對影響結(jié)構(gòu)選型的主要因素作簡要介

紹，以便于讀者學(xué)習(xí)參考，但要真正理解和把握這些影響因素，還需要讀者在

今后的學(xué)習(xí)和工程設(shè)計(jì)過程中去領(lǐng)會和實(shí)踐。

0.1? 建筑物的功能要求

建筑物的功能要求是建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的首要因素，功能要求包括使用

空間要求、使用功能要求以及美觀要求，考慮結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)滿足這些功能要求。

0.1.1? 使用空間要求

建筑物的三維尺度、體量大小和空間組合關(guān)系都應(yīng)根據(jù)業(yè)主對建筑物客

觀空間環(huán)境的要求來加以確定。例如，在體育館設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)比賽運(yùn)動

項(xiàng)目確定場地的最小尺度及所要求的最小空間高度，然后再根據(jù)觀眾座位數(shù)量、

視線要求和設(shè)備布置等確定建筑物的跨度、長度和高度。

4 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

工業(yè)建筑則應(yīng)考慮車間的使用性質(zhì)、工藝流程及工藝設(shè)備、垂直及水平

運(yùn)輸要求以及采光通風(fēng)功能要求等，并據(jù)此初步確定建筑物的跨度、開間及最

低高度。例如，我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的火箭垂直總裝測試廠房是承擔(dān)神舟六

號載人飛船發(fā)射任務(wù)的核心工程，總高達(dá) 100m，相當(dāng)于 30 多層的高樓（圖 0-1），

是亞洲目前最高的單層工業(yè)廠房。這座巨型垂直廠房采用的是鋼筋混凝土巨型

剛架－多筒體空間結(jié)構(gòu)體系，是世界航天發(fā)射建筑中的首創(chuàng)。廠房擁有世界最

重的箱形屋蓋，13030t 的屋蓋高 15m，跨度 26.8m，距離地面 81.6m，跨度大、

空間高、自重大。高 74m、重 350t 的廠房大門被譽(yù)為“亞洲第一大門”。垂直

總裝廠房將技術(shù)廠房與勤務(wù)塔的兩項(xiàng)功能合二為一，機(jī)房密布，技術(shù)設(shè)施健全

而先進(jìn)，可容納千余人同時工作。垂直測試廠房可以使火箭從檢測到運(yùn)送發(fā)射

過程中都處于垂直狀態(tài)，避免了從水平檢測到垂直發(fā)射而產(chǎn)生的諸多不利因素，

創(chuàng)造了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火箭垂直總裝測試廠房世界第一，混凝土箱型屋蓋高、

大、重世界第一，單層鋼筋混凝土廠房高度世界第一，混凝土框架支撐高度世

界第一。

建筑結(jié)構(gòu)所覆蓋的空間除了使用空間外，還包括非使用空間，后者包括

結(jié)構(gòu)體系所占用的空間。當(dāng)結(jié)構(gòu)所覆蓋的空間與建筑物的使用空間接近時，可

以提高空間的使用效率、節(jié)省圍護(hù)結(jié)構(gòu)的初始投資費(fèi)用、減少照明采暖空調(diào)負(fù)

荷、節(jié)省維修費(fèi)用。因此，這是降低建筑物全壽命期費(fèi)用的一個重要途徑。為

了達(dá)到此目的，在結(jié)構(gòu)選型時要注意以下兩點(diǎn)。

1. 結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與建筑物使用空間的要求相適應(yīng)

例如：體育館屋蓋選用懸索結(jié)構(gòu)體系時，場地兩側(cè)看臺座位向上升高與

（a） （b）

圖 0-1

酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的火

箭垂直總裝測試廠房

緒 論 5

屋蓋懸索的垂度協(xié)調(diào)一致，這樣既能符合使用功

能要求又能經(jīng)濟(jì)有效地利用室內(nèi)空間，立面造型

也可處理成輕巧新穎的形狀。圖 0-2 為我國在 20

世紀(jì) 60 年代建成的北京工人體育館，建筑平面為

圓形，能容納 15000 名觀眾。比賽大廳直徑 94m，

外圍為 7.5m 寬的環(huán)形框架結(jié)構(gòu)，共 4 層，為休

息廊和附屬用房。大廳屋蓋采用圓形雙層懸索結(jié)

構(gòu)，由索網(wǎng)、邊緣構(gòu)件（外環(huán)）和內(nèi)環(huán)三部分

組成。

對于要求在建筑物中間部分有較高空間的房屋（如散粒材料倉庫），采用

落地拱最適宜。例如，湖南某鹽礦 2.5 萬 t 散裝鹽庫在結(jié)構(gòu)選型時比較了兩種

方案，方案 I 為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，方案Ⅱ?yàn)楣敖Y(jié)構(gòu)，如圖 0-3 所示。方案

I 的缺點(diǎn)是 3/5 的建筑空間不能充分利用，而且鹽通過皮帶運(yùn)輸機(jī)從屋頂天窗

卸入倉庫時，經(jīng)常會沖擊磨損屋架和支撐，對鋼支撐和屋架有不利影響，因而

沒有采用。方案Ⅱ采用落地拱，由于選擇了合適的矢高和外形，建筑空間得到

了比較充分的利用。這一方案可以把建筑使用與結(jié)構(gòu)形式較好地結(jié)合起來，得

到了良好的效果，如圖 0-4 所示。

2. 盡量減小結(jié)構(gòu)體系本身所占用的空間高度

例如：大跨度平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是三維空間結(jié)構(gòu)，整體性及穩(wěn)定性較好，結(jié)

圖 0-2

北京工人體育館外景

圖 0-3

鹽庫兩種結(jié)構(gòu)方案

（a）排架結(jié)構(gòu)方案；

（a） （b） （b）拱結(jié)構(gòu)方案

（a） （b）

圖 0-4

落地拱散裝鹽庫

（a）透視圖；

（b）室內(nèi)圖

6 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

構(gòu)剛度及安全儲備均較大。因此平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造高度可較一般平面結(jié)構(gòu)

降低，從而使室內(nèi)空間得到較充分地利用。例如，鋼桁架構(gòu)造高度為跨度的

1/12~1/8，而平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造高度僅為跨度的 1/25~1/20。

多層或高層建筑的樓蓋采用肋梁結(jié)構(gòu)體系時，梁的高度為跨度的

1/14~1/12。當(dāng)采用密肋樓蓋時，由于縱橫十字交叉的肋的間距較密會形成剛

度較大的樓蓋，樓蓋高度可取跨度的 1/22~1/19。當(dāng)柱距為 9m 時，采用肋梁

體系的梁高約為 70cm，而密肋樓蓋的高度約為 47cm，即每層約可減少結(jié)構(gòu)高

度 23cm。對于層數(shù)為 30 層的高層建筑，則可在得到同樣使用空間的效果下，

降低建筑物高度 30×0.23=6.9m，約可降低 2 個樓層的高度，或可在同樣建筑

物高度條件下增加兩層的使用空間。這樣的經(jīng)濟(jì)效益是很明顯的。

0.1.2? 建筑物的使用要求與結(jié)構(gòu)的合理幾何形體相結(jié)合

1. 聲學(xué)條件與結(jié)構(gòu)的合理幾何形體

在結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中應(yīng)注意和善于利用結(jié)構(gòu)幾何形體對聲學(xué)效果的影響。

這方面，我國北京天壇回音壁是人們熟悉的實(shí)例（圖 0-5）?，F(xiàn)代大型廳堂建

筑在聲學(xué)條件上要求有較好的清晰度和豐滿度，要求聲場分布均勻并具有一定

的混響時間，還要求在距聲源一定距離內(nèi)有足夠的聲強(qiáng)。

2. 采光照明與結(jié)構(gòu)的合理幾何圖形

傳統(tǒng)的方法是在屋蓋的水平構(gòu)件（屋架）上設(shè)置“Ⅱ”形天窗。通過多

年的實(shí)踐及理論分析，人們認(rèn)識到此種方法具有種種缺陷：①屋蓋結(jié)構(gòu)傳力路

線迂回曲折，水平構(gòu)件跨中彎矩增大；②天窗和擋風(fēng)板突出屋面使風(fēng)荷載作用

下的屋蓋構(gòu)件、柱、基礎(chǔ)的受力增大；③突出屋面的天窗架重心高、剛度差、

連接弱，不利于抗震；④此種天窗使結(jié)構(gòu)所覆蓋的非使用空間加大；⑤室內(nèi)天

然采光照度不均勻。而在桁架上下弦桿之間設(shè)置下沉式天窗，在結(jié)構(gòu)受力、空

間利用與采光效果方面都比“Ⅱ”形天窗優(yōu)越。

3. 排水與結(jié)構(gòu)的合理幾何圖形

在結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中，屋面排水是另一個需著重考慮的問題。例如，大

跨度平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般通過起拱來解決屋面排水問題。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單元

構(gòu)件組合方案不同以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案不同，結(jié)構(gòu)起拱的靈活性也不同。例

如，鋼管球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架采用兩坡起拱

或四坡起拱均可，而角鋼板節(jié)點(diǎn)網(wǎng)

架宜用兩坡起拱；正方形平面周

邊支承兩向正交斜放交叉桁架型

網(wǎng)架適于四坡起拱，而兩向正交正

放交叉桁架型網(wǎng)架只適于兩坡起

拱；正交正放抽空四角錐網(wǎng)架起

拱較方便，而斜放四角錐網(wǎng)架起拱

較困難。 圖 0-5

北京天壇回音壁

緒 論 7

0.1.3? 美觀功能要求

不同的使用功能要求不同的建筑空間，處理好建筑功能和建筑空間的關(guān)

系，并選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，就自然形成了建筑的外形。建筑師應(yīng)該在此基礎(chǔ)

上根據(jù)建筑構(gòu)圖原理進(jìn)行藝術(shù)加工，發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)自身具有的美學(xué)價值因素，

并利用它來構(gòu)成藝術(shù)形象，這樣就可以使建筑最終達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和美觀的目

的。結(jié)構(gòu)是構(gòu)成建筑藝術(shù)形象的重要因素，結(jié)構(gòu)本身富有美學(xué)表現(xiàn)力。為了達(dá)

到安全與堅(jiān)固的目的，各種結(jié)構(gòu)體系都是由構(gòu)件按一定的規(guī)律組成的，這種規(guī)

律性的東西本身就具有裝飾效果。建筑師必須注意發(fā)揮這種表現(xiàn)力和利用這種

裝飾效果，自然地顯示結(jié)構(gòu)，把結(jié)構(gòu)形式與建筑的空間藝術(shù)形象融合起來，使

兩者成為統(tǒng)一體。在建筑設(shè)計(jì)中，不求建筑自身形體的美，?？扛劫N式裝飾、

濃妝艷抹、堆砌貴重的裝修材料，這只能給人以虛假、庸俗的感覺，達(dá)不到真

實(shí)的美的效果，既浪費(fèi)了人力和物力，又不堅(jiān)固、耐久。

所謂自然地顯示結(jié)構(gòu)，不是說結(jié)構(gòu)就是美，而是要袒露具有美學(xué)價值的

因素，經(jīng)過建筑師的藝術(shù)加工來達(dá)到表現(xiàn)建筑美的目的，而不是簡單地表現(xiàn)結(jié)

構(gòu)本身。世界上有許多被公認(rèn)為成功的建筑都是通過對結(jié)構(gòu)體系的袒露和藝術(shù)

加工來表現(xiàn)建筑美的。下面介紹的由意大利建筑師奈爾維設(shè)計(jì)的兩個建筑就是

這方面的典范。

1. 意大利佛羅倫薩運(yùn)動場大看臺

意大利佛羅倫薩運(yùn)動場大看臺是鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)（圖 0-6）。雨篷的

挑梁伸出 17m，建筑師把雨篷的挑梁外形與其彎矩圖（二次拋物線）統(tǒng)一起來，

但又不是簡單的統(tǒng)一，建筑師利用混凝土的可塑性對挑梁的外輪廓進(jìn)行了藝術(shù)

處理，在挑梁的支座附近挖了一個三角形孔，既減輕了結(jié)構(gòu)重力，也獲得了很

好的藝術(shù)效果。這個建筑直接地顯示了結(jié)構(gòu)的自然形體，恰如其分的藝術(shù)加工

使結(jié)構(gòu)的形式與建筑空間藝術(shù)形象高度融合起來，形象優(yōu)美、輕巧自然，給人

以建筑美的享受。

這個例子說明，建筑物的重力感、力的傳遞與其支承的關(guān)系，也就是結(jié)

構(gòu)的作用，同樣也是建筑藝術(shù)表現(xiàn)力的重要源泉。

2. 意大利羅馬小體育宮

羅馬小體育宮建于 1957 年，是為 1960 年在羅馬舉行的奧林匹克運(yùn)動會

修建的練習(xí)館，兼作籃球、網(wǎng)球、拳擊等比賽場地用（圖 0-7）。羅馬小體育

圖 0-6

意大利佛羅倫薩運(yùn)動

場大看臺（左）

圖 0-7

羅馬小體育宮（右）

8 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

宮可容納 6000 名觀眾，加上活動看臺能容納 8000 名觀眾。設(shè)計(jì)者為意大利建

筑師 A · 維泰洛齊和 P·L· 奈爾維。這座樸素而優(yōu)美的體育館是奈爾維的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)代表作之一，在現(xiàn)代建筑史上具有重要地位。

小體育宮平面為圓形，直徑 60m，屋頂是一個球形穹頂，在結(jié)構(gòu)上與看

臺分開。穹頂?shù)纳喜块_一個小圓洞，底下懸掛天橋、布置照明燈具，洞上再覆

蓋一個小圓蓋。穹頂宛如一張反扣的荷葉，由外露的沿圓周均勻分布的36個“Y”

形斜撐承托，有力的把巨大的裝配整體式鋼筋混凝土網(wǎng)肋型扁圓球殼托起，把

荷載傳到埋在地下的一圈地梁上。斜撐中部的一圈白色鋼筋混凝土“腰帶”是

附屬用房的屋頂，兼作連系梁。球頂下緣在各支點(diǎn)間均分、向上拱起，避免了

不利的彎矩，結(jié)構(gòu)清晰、歡快，極富結(jié)構(gòu)力度。從建筑效果上看，既使輪廓豐

富，又可防止因視錯覺產(chǎn)生的下陷感。小體育宮的外形比例勻稱，小圓蓋、球頂、

“Y”形支撐、“腰帶”等各部分劃分得宜。小圓蓋下的玻璃窗與球頂下的帶形

窗遙相呼應(yīng)，又與屋頂、附屬用房形成虛實(shí)對比?！把鼛А痹谏钌畹谋尘吧细?/p>

現(xiàn)出來，既豐富了層次，又產(chǎn)生了尺度感?！癥”形斜撐完全暴露在外，混凝

土表面不加裝飾顯得強(qiáng)勁有力，表現(xiàn)出體育所特有的技巧和力量，使建筑獲得

強(qiáng)烈的個性。

從外觀看，在結(jié)構(gòu)接近地面處，由于高度不夠無法使用，于是把這部分

結(jié)構(gòu)劃在隔墻之外，這樣不僅在外形上清楚地顯示了建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且

十分形象地表現(xiàn)了獨(dú)具風(fēng)格的藝術(shù)效果。穹隆的檐邊構(gòu)件作為屋面向“Y”形

支承構(gòu)件的過度，承上啟下、波浪起伏，使建筑外形顯得豐富優(yōu)美而自然。屋

面中央的天窗在功能上是非常需要的，恰如其分地凸起在外觀上起著提神的作

用。整個建筑的外觀比例諧調(diào)，形象優(yōu)美、質(zhì)樸而又洗練。

同時，這個建筑還對施工問題作了很周密的考慮。采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，

既省了大量模板，又保證了結(jié)構(gòu)的整體性。施工時，起重機(jī)安放在中央天窗處，

這是最理想的位置。而且由于整個建筑物沒有任何多余的裝飾，因此經(jīng)濟(jì)效果

亦較好。

以上例子說明，一個好的建筑設(shè)計(jì)，建筑和結(jié)構(gòu)必然是有機(jī)結(jié)合的統(tǒng)一

體。當(dāng)然，要達(dá)到這一效果不是輕而易舉或者一蹴而就的，它必然是建筑師和

結(jié)構(gòu)工程師相互了解、配合默契的產(chǎn)物。建筑師要掌握各種結(jié)構(gòu)體系的概貌、

基本特點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)效果，這樣建筑師才能在草擬建筑方案時選擇合適的結(jié)構(gòu)

體系。

例如，拱結(jié)構(gòu)是大跨度結(jié)構(gòu)中常采用的一種結(jié)構(gòu)體系，合理選擇拱軸線

可使拱內(nèi)彎矩達(dá)到最小值，其主要內(nèi)力是軸向壓力，可以充分發(fā)揮出混凝土材

料抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)越性。但是拱的支座推力大，因此常需設(shè)置拉桿而使室內(nèi)使

用空間減小。北京崇文門菜市場采用不帶拉桿的拱結(jié)構(gòu)，并將其置于抗推力的

框架的頂部，如圖 8-13 所示。這樣的方案既適應(yīng)了菜市場的大空間要求，又

滿足了兩側(cè)翼需要較小空間的要求。在中間部分由于跨度較大，采用拱結(jié)構(gòu)不

但較經(jīng)濟(jì)而且使建筑立面較活潑，滿足了美觀要求。

緒 論 9

0.2? 建筑結(jié)構(gòu)材料對結(jié)構(gòu)選型的影響

結(jié)構(gòu)形式很多，如梁板、拱、剛架、桁架、懸索、薄殼等。組成結(jié)構(gòu)的

材料有鋼、木、磚、石、混凝土及鋼筋混凝土等。結(jié)構(gòu)的合理性首先表現(xiàn)為組

成這個結(jié)構(gòu)的材料的強(qiáng)度能不能充分發(fā)揮作用。隨著工程力學(xué)和建筑材料的發(fā)

展，結(jié)構(gòu)形式也不斷發(fā)展，人們總是想用最少的材料獲得最大的效果。以下兩

點(diǎn)是我們在確定結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)當(dāng)遵循的原則。

1. 選擇能充分發(fā)揮材料性能的結(jié)構(gòu)形式

由于構(gòu)件軸心受力比偏心受力或受彎狀態(tài)能更充分利用材料的強(qiáng)度，因

此人們根據(jù)力學(xué)原理及材料的特性創(chuàng)造出了多種形式的結(jié)構(gòu)，并使這些結(jié)構(gòu)的

構(gòu)件處于無彎矩狀態(tài)或減小彎矩峰值，從而使材料的抗拉和抗壓性能得到充分

發(fā)揮。

軸心受力構(gòu)件截面上的應(yīng)力應(yīng)均勻分布，使整個截面的材料強(qiáng)度都得到

充分利用。受彎構(gòu)件截面上的應(yīng)力分布非常不均勻，除了上下邊緣達(dá)到強(qiáng)度指

標(biāo)之外，中間部分的材料并沒有充分發(fā)揮作用。因此應(yīng)該把中間部分的材料減

少到最低限度，把它集中到上下邊緣處，這樣就形成了受力較為合理的“工”

字形截面桿件。以承受集中荷載的簡支梁為例，將其從矩形截面改變?yōu)椤肮ぁ?/p>

字形截面，受力就較為合理了。再進(jìn)一步，我們還可以把梁腹部的材料挖去，

形成三角形的孔洞，于是梁就變成了桁架結(jié)構(gòu)，如圖 0-8 所示。

桁架結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)荷載作用下，各桿件處于軸心受力狀態(tài)，受力較為合理，

適用于較大跨度的建筑。桁架的上弦受壓、下弦受拉，它們組成力偶來抵抗彎

矩；腹桿以所承受軸力的豎向分量來抵抗剪力。從這里可以進(jìn)一步看出，桁架

比“工”字形截面梁更能發(fā)揮材料的力學(xué)性能。

梁的彎矩圖呈折線形（接近拋物線），跨中最大兩端為零。因此在矩形桁

架中各個桿件的內(nèi)力還是有大有小，還是不能使每一根桿件的材料強(qiáng)度都得到

充分利用。于是，再進(jìn)一步發(fā)展，使桁架的外輪廓線與彎矩圖的形狀一致，這

樣受力將更加合理。

因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該力求使結(jié)構(gòu)形式與內(nèi)力圖一致。當(dāng)然，在這里也必

須指出，構(gòu)件的合理性是相對的，受力合理只是其中的一個方面。矩形截面梁

在受力上有不合理的一面，但是它的外形簡單、制作方便，又有其合理的一面。

在小跨度范圍內(nèi)，矩形截面梁仍是廣泛應(yīng)用的構(gòu)件形式之一。

圖 0-8

不同構(gòu)件受力分析

（a）矩形截面簡支梁；

（b）“工”字形截面簡

支梁；

（c）平行弦桁架；

（d）拱形桁架

10 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

2. 合理地選用結(jié)構(gòu)材料

建筑結(jié)構(gòu)材料是形成結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)。木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，各因其材料特征不同而具備各自的獨(dú)特規(guī)律。例如，砌體結(jié)

構(gòu)抗壓強(qiáng)度高但抗彎、抗剪、抗拉強(qiáng)度低，而且脆性大，往往無警告階段即破壞；

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較大的抗彎、抗剪強(qiáng)度，而且延性優(yōu)于砌體結(jié)構(gòu)，但仍屬于

脆性材料而且自重大；鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度高、自重輕，但需特別注意當(dāng)細(xì)長比大

時在軸向壓力作用下的桿件失穩(wěn)情況。因此選用材料的原則是充分利用它的長

處，避免和克服它的短處。對于建筑結(jié)構(gòu)材料的基本要求是輕質(zhì)、高強(qiáng)，具有

一定的可塑性和便于加工。特別是在大跨度和高層建筑中，采用輕質(zhì)、高強(qiáng)材

料具有極大意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新結(jié)構(gòu)材料的誕生帶來新的結(jié)構(gòu)形式，從而促進(jìn)

建筑形式的巨大變革。19 世紀(jì)末期，鋼材和鋼筋混凝土材料的推廣引起了建

筑結(jié)構(gòu)革命，出現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)及大跨度結(jié)構(gòu)的新結(jié)構(gòu)形式。近年來混凝土向高強(qiáng)

方向發(fā)展?；炷翉?qiáng)度提高后可減少結(jié)構(gòu)斷面尺寸、減輕結(jié)構(gòu)自重，提供較大

的使用空間。

據(jù)資料介紹，用強(qiáng)度為 60MPa 的混凝土代替強(qiáng)度為 30~40MPa 的混凝土，

可節(jié)約混凝土用量 40%，鋼材 39% 左右。國際預(yù)應(yīng)力混凝土下屬委員會也曾

指出，如果用強(qiáng)度為 100MPa 的混凝土制成預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，其自重將減輕到相當(dāng)

于鋼結(jié)構(gòu)的自重。還有學(xué)者認(rèn)為，如把混凝土強(qiáng)度提高到 120MPa 并結(jié)合預(yù)應(yīng)

力技術(shù)，可使混凝土結(jié)構(gòu)代替大部分鋼結(jié)構(gòu)，并使 1kg 混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到 1kg 鋼

結(jié)構(gòu)的承載能力。屆時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的選型也必將迎來一場變革。但隨著

混凝土向高強(qiáng)方向發(fā)展，其脆性大大增加，這是一個需要注意并解決的問題。

此外輕骨料混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中有很好的應(yīng)用前景。澳大利亞曾應(yīng)用輕

骨料混凝土建造了兩幢 50 層的建筑，其中一幢為高 184m、直徑 41m 的塔式

建筑，其 7 層以上 90% 的樓板和柱均采用輕骨料混凝土，使整個建筑物節(jié)省

141 萬美元。

復(fù)合材料是另一個值得重視的發(fā)展方向，有關(guān)研究部門進(jìn)行的試驗(yàn)表明，

鋼管混凝土具有很大優(yōu)越性。例如混凝土斷面的承載能力為 294.2kN，鋼管承

載能力為 304.0kN，組成鋼管混凝土柱以后，由于鋼管約束混凝土的橫向變形

而使承載能力提高到 862.99kN，比兩種組成材料的承載能力之和 598.2kN 提

高 44%。近十幾年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在單層及多層工業(yè)廠房中已得到較廣

泛應(yīng)用，工程經(jīng)驗(yàn)表明：承重柱自重可減輕 65% 左右，由于柱截面減小而相

應(yīng)增加了使用面積，鋼材消耗指標(biāo)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)接近，而工程造價與鋼筋

混凝土結(jié)構(gòu)相比可降低 15% 左右，工程施工期縮短 1/3。此外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

顯示出良好的塑性和韌性。

另一種有前途的復(fù)合材料是鋼纖維混凝土，體積率為 1.5%~2% 的鋼纖維

混凝土的抗壓強(qiáng)度提高很小，但抗拉、抗彎強(qiáng)度大大提高。此外，結(jié)構(gòu)的韌

性及抗疲勞性能有大幅度提高。國內(nèi)利用鋼纖維混凝土的上述優(yōu)良性能而建造

緒 論 11

的大型結(jié)構(gòu)實(shí)例之一是南京五臺山體育場的主席臺。主席臺懸臂挑檐的挑出長

14m，采用薄壁折板結(jié)構(gòu)。為了提高抗裂性，折板采用鋼纖維混凝土?？拷?/p>

的 1/3 部分，鋼纖維用量為 150kg/m3

，其余部分用量為 75kg/m3

。拆模后未見

任何微裂縫，在懸臂端部 11 個點(diǎn)測定撓度，最大值僅為 17.4mm。

0.3? 施工技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)形式的影響

建筑施工的生產(chǎn)技術(shù)水平及生產(chǎn)手段對建筑結(jié)構(gòu)形式有很大影響。在手

工勞動的時代只能用石塊來建造墻、柱、拱，或采用木骨架的結(jié)構(gòu)形式。近代

大工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)后，在鋼鐵工業(yè)及機(jī)械工業(yè)得到很大發(fā)展的基礎(chǔ)上，大型起重

機(jī)械及各種建筑機(jī)械（例如混凝土泵）的相繼問世使高層建筑及大跨度建筑的

各種結(jié)構(gòu)形式成為現(xiàn)實(shí)。

0.3.1? 施工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的保障

薄殼結(jié)構(gòu)是一種薄壁空間結(jié)構(gòu)，主要承受曲面內(nèi)的薄膜內(nèi)力（或無矩內(nèi)

力），其材料強(qiáng)度能得到充分利用，同時它具有很高的強(qiáng)度和很大的剛度。薄

殼結(jié)構(gòu)采用厚度很薄的結(jié)構(gòu)來建造大跨度結(jié)構(gòu)，具有自重輕、材料省的特點(diǎn)。

例如，35m×35m 雙曲扁殼屋蓋的殼體厚度僅為 8cm，而 6m×6m 的鋼筋混凝

土雙向板的最小厚度約為 13cm。因此，薄殼結(jié)構(gòu) 20 世紀(jì) 50 年代末至 60 年代

中在我國得到很大發(fā)展。

采用現(xiàn)澆的施工方法來實(shí)現(xiàn)薄殼結(jié)構(gòu)有很大的局限性，最大的困難在于

支設(shè)曲面模板耗費(fèi)工料多、施工速度慢。為了解決此問題，曾一度使用工具式

移動模板來進(jìn)行現(xiàn)澆薄殼施工，但此種施工方法只適用于結(jié)構(gòu)形狀及斷面尺寸

不變的筒殼結(jié)構(gòu)。

此外，國內(nèi)外均有采用旋轉(zhuǎn)模板進(jìn)行薄殼施工的實(shí)例，例如，美國西雅

圖金郡體育館直徑 202m 的穹頂采用“十”字形金屬旋轉(zhuǎn)胎模現(xiàn)澆而成，其目

的也在于節(jié)省模板安裝的工料，但此種施工方法只適用于旋轉(zhuǎn)薄殼。裝配式薄

殼施工方法為薄殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了技術(shù)保障。例如，法國 Marigane 飛機(jī)庫

由六波薄殼組成屋蓋，每波的波寬 9.78m、跨度 101.5m、矢高 12.19m，重達(dá)

4200t，用頂升法施工升到 18.29m 標(biāo)高，可見需要高超的施工技術(shù)。

0.3.2? 結(jié)構(gòu)選型要考慮實(shí)際施工條件

施工技術(shù)條件不具備或結(jié)構(gòu)方案不適應(yīng)現(xiàn)

有技術(shù)能力將給工程建設(shè)帶來困難，因此，在

結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)考慮施工技術(shù)等因素的影響。例

如，裝配式框架結(jié)構(gòu)方案的選用需要認(rèn)真考慮

施工單位的焊工技術(shù)力量和吊裝設(shè)備等條件（如

圖 0-9 所示），否則將給工程質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。

圖 0-9

某廠房施工方案

12 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

0.4? 結(jié)構(gòu)計(jì)算手段的進(jìn)步和設(shè)計(jì)理論發(fā)展的影響

隨著新結(jié)構(gòu)與新材料的不斷運(yùn)用與實(shí)踐，人們逐漸認(rèn)識了客觀物質(zhì)世界

的內(nèi)在矛盾運(yùn)動規(guī)律，并上升為理論且發(fā)展了結(jié)構(gòu)理論，使人們提高了結(jié)構(gòu)設(shè)

計(jì)水平。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展及計(jì)算手段的改進(jìn)，又反過來為解決復(fù)雜的結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)選問題提供了有利條件。

0.4.1? 計(jì)算手段的進(jìn)步對復(fù)雜新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響

在結(jié)構(gòu)分析方面，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的加快和貯存的增大，各種復(fù)雜

空間結(jié)構(gòu)的靜力及動力計(jì)算問題迎刃而解。由于計(jì)算時間的縮短及計(jì)算精度的

提高，人們不但可以較方便地采用各種較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，而且還可以進(jìn)一步

對各種形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較以優(yōu)化設(shè)計(jì)。過去由于計(jì)算手段上的困難，盡

管人們希望在制訂結(jié)構(gòu)方案時能進(jìn)行多方案比較，但常因工作量過大、工時過

長而難以實(shí)現(xiàn)。人們只能憑經(jīng)驗(yàn)制訂出一兩個可行的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行簡單的比較，

而大量時間都消耗在構(gòu)件的分析和計(jì)算工作上。如今計(jì)算手段的改進(jìn)必然會對

大型工程結(jié)構(gòu)方案的構(gòu)思產(chǎn)生重要影響。計(jì)算機(jī)正在深入結(jié)構(gòu)工程的各個領(lǐng)域，

進(jìn)而貯存各種專門知識和經(jīng)驗(yàn)，形成所謂的“專家系統(tǒng)”和“人工智能優(yōu)化決

策系統(tǒng)”。

0.4.2? 抗震設(shè)計(jì)理論的研究和發(fā)展

自古以來，地震給人類造成了巨大的危害。人類在適應(yīng)自然和改造自然

的過程中，不斷探索抵御地震的方法。地震震害表明，破壞性地震引起的人員

傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，主要是由于地震產(chǎn)生的巨大能量使建筑物、工程設(shè)施發(fā)生破

壞和倒塌，以及伴隨的次生災(zāi)害造成的。要想最大限度地減輕地震災(zāi)害，在工

程建設(shè)時必須進(jìn)行科學(xué)合理的抗震設(shè)防，這是人類減輕地震災(zāi)害對策中最積極

和最有效的措施。

我國大部分地區(qū)處于地震區(qū)，《中華人民共和國防震減災(zāi)法》規(guī)定建設(shè)工

程必須按照抗震設(shè)防要求和抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并按照抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行

施工。目前，我國采取“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

依此設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在遇到破壞性地震時允許出現(xiàn)一定程度的破壞，但主

體結(jié)構(gòu)不能倒塌，以確保人員生命安全。即在多遇地震烈度下保證建筑物不受

破壞，使生產(chǎn)和正常生活不受干擾；在遇到罕遇地震時保證建筑物不至于因嚴(yán)

重倒塌而釀成大災(zāi)。

現(xiàn)行的地震烈度區(qū)劃和地震動參數(shù)區(qū)劃僅是在一定概率意義上對未來可

能遇到的地震影響強(qiáng)度的預(yù)測，據(jù)此計(jì)算的工程結(jié)構(gòu)的地震作用也只是在一定

概率意義上的一個近似估計(jì)。由于存在上述諸多不確定因素，建筑結(jié)構(gòu)的抗震

設(shè)計(jì)計(jì)算無法涵蓋可能遇到的所有不確定因素。因此，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)從總體上

來提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力是抗震設(shè)計(jì)的重要原則。建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)

緒 論 13

是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，是進(jìn)行建筑

和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。地震震害表明，結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)與

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算對于改善結(jié)構(gòu)的抗震性能同樣重要。工程結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)

計(jì)主要包括以下幾方面內(nèi)容，這些原則無疑對結(jié)構(gòu)選型具有重要指導(dǎo)作用。

1. 選擇對抗震有利的場地、地基和基礎(chǔ)

選擇建筑場地時，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況及工程地質(zhì)和地

震地質(zhì)的有關(guān)資料，做出綜合評價；宜選擇有利地段，避開不利地段。當(dāng)無法

避開不利地段時，應(yīng)采取有效措施，不應(yīng)在危險(xiǎn)地段建造房屋建筑。

同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上，也不宜部分采

用天然地基、部分采用樁基。當(dāng)?shù)鼗鶠檐浫躔ば酝?、液化土、新近填土或?yán)重

不均勻土?xí)r，應(yīng)考慮地震時地基的不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應(yīng)的

措施。

2. 采用對抗震有利的建筑平面和立面

為了避免地震時結(jié)構(gòu)物發(fā)生扭轉(zhuǎn)、應(yīng)力集中或塑性變形集中而形成薄弱

部位，建筑及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，并具有良好的整體性。建

筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的

截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載

力突變。不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。

體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，可按實(shí)際需要在適當(dāng)部位設(shè)

置防震縫，以形成多個較規(guī)則的抗側(cè)力構(gòu)件單元，防震縫應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)

構(gòu)材料類型和結(jié)構(gòu)體系、建筑結(jié)構(gòu)單元的高度和高差情況，留有足夠?qū)挾取Ｉ?/p>

縮縫和沉降縫的寬度應(yīng)符合防震縫的要求。

3. 選擇技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上合理的結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)體系應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、

地基、材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件綜合比較確定。

結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確、合理的地震作用傳遞途徑，應(yīng)具備必要的抗震承

載力和良好的變形能力，并符合有關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。

0.5? 經(jīng)濟(jì)因素對結(jié)構(gòu)選型的影響

在結(jié)構(gòu)選型時進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較是十分重要的，長期以來我國確定了“適用、

經(jīng)濟(jì)、安全、美觀”的建設(shè)方針，把經(jīng)濟(jì)效益放在重要地位。

衡量結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性，即所謂綜合經(jīng)濟(jì)分析，就是要綜合考慮結(jié)構(gòu)全

壽命期的各種成本、材料與人力資源的消耗，以及投資回報(bào)與建設(shè)速度的關(guān)

系等。

（1）不但要考慮某個結(jié)構(gòu)方案付諸實(shí)施時的一次投資費(fèi)用，還要考慮其

全壽命期費(fèi)用。

（2）除了以貨幣指標(biāo)核算結(jié)構(gòu)的建造成本外，還要從節(jié)省材料消耗和節(jié)

14 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

約勞動力等各項(xiàng)指標(biāo)來衡量。此外從人類長遠(yuǎn)利益考慮，還要特別考慮資源的

節(jié)約。

（3）某些生產(chǎn)性建筑若能早日投產(chǎn)交付使用，不但可以較快地回收投資

資金，更能得到較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此在結(jié)構(gòu)方案比較時，還應(yīng)綜合考慮一次

性初始投資和建設(shè)速度之間的關(guān)系。

0.6?“建筑結(jié)構(gòu)選型”課程的學(xué)習(xí)方法

學(xué)習(xí)“建筑結(jié)構(gòu)選型”課程應(yīng)注意掌握建筑結(jié)構(gòu)選型的基本原則、各種

結(jié)構(gòu)體系的基本特點(diǎn)與應(yīng)用范圍，要結(jié)合國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，正確把握結(jié)構(gòu)的選

型與應(yīng)用。

（1）要注意掌握各種建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與影響因素，選型中應(yīng)綜合考慮各

個方面的影響，通過綜合分析，才能做到全面、客觀地考慮問題。

（2）既要單獨(dú)考慮某個結(jié)構(gòu)類型，也要將其與其他適用的結(jié)構(gòu)類型作必

要的對比和分析，這樣才能優(yōu)化結(jié)構(gòu)的選型。

（3）盡可能多地閱讀工程實(shí)例部分的內(nèi)容，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析與思考，

這樣才能不斷提高自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

（4）加強(qiáng)訓(xùn)練，結(jié)合大作業(yè)和講評，培養(yǎng)自己全面分析問題的能力。

建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

1 力學(xué)基礎(chǔ)

■? 本章提要

本章主要介紹“建筑結(jié)構(gòu)選型”課程所必須掌握的力學(xué)基礎(chǔ)知識，主

要包括靜力學(xué)基礎(chǔ)、力系的平衡問題、平面體系的幾何組成分析、靜定結(jié)

構(gòu)的內(nèi)力、構(gòu)件失效分析基礎(chǔ)、構(gòu)件應(yīng)力與強(qiáng)度的基本計(jì)算方法等內(nèi)容。

16 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

1.1? 靜力學(xué)基礎(chǔ)

1.1.1? 力與力偶

1. 力的概念

人們對力的認(rèn)識是在長期的生活實(shí)踐中逐步形成的。用手提起重物時，

手臂需要用力。而手臂的作用也可以用繩子等其他工具來代替，說明不僅人能

對物體產(chǎn)生力的作用，物體之間也能產(chǎn)生力的作用。力作用在物體上會產(chǎn)生什

么樣的效果？用力推靜止的小車，小車就會產(chǎn)生運(yùn)動；用力拉彈簧，彈簧就會

變形。

力對物體的作用會產(chǎn)生兩種效應(yīng)：運(yùn)動效應(yīng)和變形效應(yīng)。其中運(yùn)動效應(yīng)

可以分解成移動效應(yīng)和轉(zhuǎn)動效應(yīng)兩種。例如在足球比賽中，如果運(yùn)動員要踢出

弧線球，在擊球時必須使球向前運(yùn)動的同時還需使球繞球心轉(zhuǎn)動。前者為移動

效應(yīng)，后者為轉(zhuǎn)動效應(yīng)。力是物體之間的相互機(jī)械作用，這種作用會使物體的

運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化（運(yùn)動效應(yīng)），或者使物體的形狀發(fā)生改變（變形效應(yīng)）。

實(shí)踐表明，力對物體的效應(yīng)取決于力的大小、方向和作用點(diǎn)三個要素，

稱為力的三要素。

在國際單位制（SI）中，力的單位為牛頓（N），工程實(shí)際中常采用牛頓

的倍數(shù)單位千牛（kN），1kN=103

N，作用于一個物體上的兩個或兩個以上的力

所組成的系統(tǒng)，稱為力系。對物體作用效果相同的力系，稱為等效力系。如果

一個力和一個力系等效，則該力為此力系的合力，而力系中的各個力稱為合力

的分力。

2. 力的性質(zhì)

力是一個有大小和方向的量，所以力是矢量，可以用一段帶箭頭的線段

來表示，線段的長短代表大小，箭頭表示力的指向（圖 1-1）。規(guī)定用黑體字

母 F 表示力矢量，而用普通字母 F 表示力的大小。通過力的作用點(diǎn)并沿著力

的方向作一條直線，這條直線稱為力的作用線。

作用于物體上同一點(diǎn)的兩個力可以合成為一個合力，合力也作用于該

點(diǎn)，合力的大小、方向由這兩個力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線來表示

（圖 1-2）。

這一性質(zhì)也稱為力的平行四邊形法則，可用矢量式 FR=F1+F2 表示，即兩

個交于一點(diǎn)力的合力，等于這兩個力的矢量和；反過來，一個力也可以依照力

的平行四邊形法則，按指定方向分解成兩個分力。

同理，作用于物體上同一點(diǎn)的 n 個力組成的力系，采用兩兩合成的方法，

最終可合成為一個合力 FR，它等于這個力系中所有力的矢量和，即：

=1

（1-1）

即，n 個力交于一點(diǎn)，則可以合成為一個合力，它等于這 n 個力的矢量和，

它的作線通過原力系的交點(diǎn)。

圖 1-2 分力和合力

圖 1-1 力

1 力學(xué)基礎(chǔ) 17

兩物體間相互作用的力，總是大小相等、方向相反、沿同一直線，分別

作用在這兩個物體上。這一性質(zhì)也稱為力的作用與反作用定律。如作用在同一

物體上的兩個力大小相等、方向相反、沿同一直線，那么這兩個力對物體的運(yùn)

動效應(yīng)沒有影響，則這兩個力的合力為零；反過來，同一物體上只作用了兩個

力，而物體是平衡的，那么這兩個力必然大小相等、方向相反、沿同一直線。

物體在一個力系作用下處于平衡狀態(tài)，則稱這個力系為平衡力系。在平

衡力系作用下物體不產(chǎn)生運(yùn)動效應(yīng)。

3. 力在直角坐標(biāo)軸上的投影

為了便于計(jì)算，在力學(xué)計(jì)算中常常通過力在直角坐標(biāo)軸上的投影將矢量

運(yùn)算轉(zhuǎn)化為代數(shù)運(yùn)算。

如圖 1-3 所示，在力 F 作用的平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系 Oxy。由力 F 的起

點(diǎn) A 和終點(diǎn) B 分別向 x 軸引垂線，垂足分別為 x 軸上的兩點(diǎn) A′、B′，則線段 A′B′

稱為力 F 在 x 軸上的投影，用 Fx 表示，即 Fx=±A′B′。

投影的正負(fù)號規(guī)定如下：若從 A′ 到 B′ 的方向與軸正向一致，投影取正號；

反之取負(fù)號。力在坐標(biāo)軸上的投影是代數(shù)量。同樣，力 F 在 y 軸上的投影 Fy

為 Fy=±A″B″。

由圖 1-3 可得 :

x

y

（1-2）

式中，α 為力與 x 軸所夾的銳角，圖 1-3 中 Fx、Fy 是力 F 沿直角坐標(biāo)軸

方向的兩個分力，是矢量。它們的大小和力 F 在軸上投影的絕對值相等，而

投影的正（或負(fù)）號代表了分力的指向和坐標(biāo)軸的指向一致（或相反），這樣

投影就將分力的大小和方向表示出來了，從而將矢量運(yùn)算轉(zhuǎn)化成了代數(shù)運(yùn)算。

為了計(jì)算方便，往往先根據(jù)力與某軸所夾的銳角來計(jì)算力在該軸上投影

的絕對值，再通過觀察來確定投影的正負(fù)號。

【例 1-1】 試分別求出圖 1-4 中各力在 z 軸 和 y 軸 上 的 投 影。 已 知

F1=100N，F(xiàn)2=150N，F(xiàn)3=F4=200N，各力方向如圖 1-4 所示。

圖 1-3

力在直角坐標(biāo)軸上的

投影（左）

圖 1-4

O x 例 1-1 圖（右）

x

y

y

18 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

【解】各力在 x、y 軸上的投影為：

x

x

x

x

y

y

y

y

反過來，如已知一個力在直角坐標(biāo)系的投影，可以求出這個力的大小和

方向。

由圖 1-3 可知：

x

x

y

y

（1-3）

其中，取 0 ≤ α ≤ π/2，α 代表力 F 與 x 軸的夾角，具體力的指向可通

過投影的正負(fù)值來判定，如圖 1-5 所示。

4. 合力投影定理

由于力的投影是代數(shù)量，所以可以對各力在同一軸的投影進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，

由圖 1-6 得：

x x x （1-4）

對于多個力組成的力系以此類推，可得合力投影定理：合力在直角坐標(biāo)

軸上的投影（FRx，F(xiàn)Ry）等于各分力在同一軸上投影的代數(shù)和，即：

x x x nx x

y y y ny y

（1-5）

如果將各個分力沿直角坐標(biāo)軸方向進(jìn)行分解，再對平行于同一坐標(biāo)軸的

分力進(jìn)行合成（方向相同的相加，方向相反的相減），可以得到合力在該坐標(biāo)

圖 1-5

力正負(fù)值的判定（左）

圖 1-6

合力投影定理（右） x

y

x

y

x

y

x

y

1 力學(xué)基礎(chǔ) 19

軸方向上的分力（FRx，F(xiàn)Ry）。可以證明，合力在直角坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的投影（d3）

和合力在該坐標(biāo)軸方向上的分力（FRx，F(xiàn)Ry）大小相等，而投影的正（負(fù)）號

代表了分力的指向和坐標(biāo)軸的指向一致（相反）。

5. 平面問題中力對點(diǎn)之矩

如圖 1-7 所示，用扳手?jǐn)Q緊螺母時，作用于扳手上的力 F 使扳手繞 O 點(diǎn)

轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動效應(yīng)不僅與力的大小和方向有關(guān)，而且與 O 點(diǎn)到力作用線的垂

直距離 d 有關(guān)。將乘積 F·d 再冠以適當(dāng)?shù)恼?、?fù)號對應(yīng)力繞 O 點(diǎn)的轉(zhuǎn)向，稱

為力 F 對 O 點(diǎn)的矩，簡稱力矩，它是力 F 使物體繞 O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動效應(yīng)的度量，用

MO（F）表示，即 ：

（1-6）

O 點(diǎn)稱為矩心，d 稱為力臂。式中的正負(fù)號用來區(qū)別力 F 使物體繞 O 點(diǎn)

轉(zhuǎn)動的方向，規(guī)定力 F 使物體繞矩心 O 點(diǎn)逆時針轉(zhuǎn)動時為正，反之取負(fù)號。

力矩在下列兩種情況下等于零：力等于零或力的作用線通過矩心（即力

臂等于零）。

當(dāng)力沿作用線移動時，不會改變它對矩心的力矩。這是由于力的大小、

方向及力臂的大小均未改變的緣故。力矩的單位常用 N·m 或 kN·m，有時

為運(yùn)算方便也采用 N·mm。

其中 1kN·m=103

N·m=106

N·mm。

【例 1-2】如圖 1-8 所示，當(dāng)扳手分別受到 F1、F2、F3 作用時，求各力分

別對螺母中心點(diǎn) O 的力矩。已知 F1=F2=F3=100N。

【解】根據(jù)力矩的定義可知 ：

6. 合力矩定理

由于一個力系的合力產(chǎn)生的效應(yīng)與力系中各個分力產(chǎn)生的總效應(yīng)是一樣

的。因此，合力對平面上任一點(diǎn)的矩等于各分力對同一點(diǎn)的矩的代數(shù)和。這就

是合力矩定理，即 ：

n （1-7）

【例 1-3】圖 1-9 所示擋土墻所受土壓力的合力為 FR，如 FR=150kN，方

向如圖所示。求土壓力使墻傾覆的力矩。

圖 1-7

力對點(diǎn)之矩（左）

圖 1-8

例 1-2 圖（右）

20 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

【解】土壓力 FR 可使擋土墻繞 A 點(diǎn)傾覆，故求土壓力 FR 使墻傾覆的力矩，

就是求 FR 對 A 點(diǎn)的力矩。由已知尺寸求力臂 d 不方便，但如果將 FR 分解為

兩分力 F1 和 F2，則兩分力的力臂是已知的，可得：

7. 力偶

在日常生活和工程中，經(jīng)常會遇到物體受大小相等、方向相反、作用線

互相平行的兩個力作用的情形。例如，汽車司機(jī)用雙手轉(zhuǎn)動方向盤，鉗工用絲

錐攻螺紋，以及用拇指和食指擰開水龍頭或鋼筆帽等。實(shí)踐證明，這樣的兩個

力 F、F ′，組成的力系對物體只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)，而不產(chǎn)生移動效應(yīng)，這種力系

稱為力偶，用符號（F，F(xiàn) ′）表示。

組成力偶的兩個力 F、F ′ 所在的平面稱為力偶的作用面，力偶的兩個力

作用線間的垂直距離稱為力偶臂，用 d 表示。

在力偶作用面內(nèi)任取一點(diǎn) O 為矩心，如圖 1-10 所示。設(shè)點(diǎn) O 與力 F 作

用線之間的垂直距離為 x，力偶臂為 d，則力偶的兩個力對 O 點(diǎn)之矩的和為：

-Fx+F ′（x+d）= F·d

這一結(jié)果表明，力偶對作用面內(nèi)任意一點(diǎn)的矩與點(diǎn)的位置無關(guān)。因此，

將力偶的力 F 與力偶臂 d 的乘積冠以適當(dāng)?shù)恼?fù)號對應(yīng)力偶的轉(zhuǎn)向，作為力

偶對物體轉(zhuǎn)動效應(yīng)的度量，稱為力偶矩，用 M 表示，即：

M=±F·d （1-8）

式中的正負(fù)號規(guī)定為：力偶的轉(zhuǎn)向是逆時針時為正，反之為負(fù)。力偶矩

的單位與力矩的單位相同。

8. 力偶的性質(zhì)

力偶作為一種特殊力系，具有如下獨(dú)特的性質(zhì)：

（1）力偶對物體只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)，而不產(chǎn)生移動效應(yīng)。因此，一個力偶

既不能用一個力代替，也不能和一個力平衡（力偶在任何一個坐標(biāo)軸上的投影

均等于零）。力與力偶是表示物體間相互機(jī)械作用的兩個基本元素。

（2）力偶對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)只用力偶矩度量而與矩心的位置無關(guān)。如果

在同一平面內(nèi)的兩個力偶，它們的力偶矩彼此相等，則這兩個力偶等效。

（3）在保持力偶矩大小和力偶轉(zhuǎn)向不變的情況下，力偶可在其作用面內(nèi)

任意搬移，或者可任意改變力偶中力的大小和力偶臂的長短，而力偶對物體的

轉(zhuǎn)動效應(yīng)不變。

根據(jù)這一性質(zhì)，可在力偶作用面內(nèi)用 M 或 M 表示力偶，其中箭頭表示力

偶的轉(zhuǎn)向，M 則表示力偶矩的大小。必須指出，力偶在其作用面內(nèi)移動或用

等效力偶替代對物體的運(yùn)動效應(yīng)沒有影響，但會影響變形效應(yīng)。

圖 1-9

例 1-3 圖

圖 1-10

力偶矩

1 力學(xué)基礎(chǔ) 21

9. 平面力偶系的合成

設(shè)在物體某平面內(nèi)作用兩個力偶 M1，M2（圖 1-11a），任選一線段

AB = d 作為公共力偶臂，將力偶 M1 和 M2 移動，并把力偶中的力分別改變?nèi)?/p>

圖 1-11（b）所示：

圖 1-11

平面力偶系的合成

根據(jù)力偶性質(zhì)（3），圖 1-11（a）與圖 1-11（b）中，力偶作用是等效的。

于是，力偶 M1 與 M2 可合成為一個合力偶（圖 1-11c），其力偶矩為 ：

若有 n 個力偶作用于物體的某一平面內(nèi)，這種力系稱為平面力偶系，可

合成為一個合力偶。在同一個平面內(nèi)的力偶可以進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，合力偶的矩等

于各分力偶矩的代數(shù)和，即 ：

（1-9）

【例 1-4】如圖 1-12 所示，在物體的某平面內(nèi)受到三個力偶的作用。設(shè)

F1=200N，F(xiàn)2=600N，M =100N·m，求其合力偶。

【解】各分力偶矩為 ：

由式（1-9）得合力偶矩為 ：

即合力偶的矩的大小等于 400N ·m，轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r針方向，與原力偶系共面。

1.1.2? 受力分析基礎(chǔ)

實(shí)際工程是很復(fù)雜的，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時，如果不加區(qū)分地考慮所

有實(shí)際因素，將使問題的分析計(jì)算十分困難，甚至無法進(jìn)行，同時這樣也是不

必要的。分析實(shí)際結(jié)構(gòu)，需要利用力學(xué)知識、結(jié)構(gòu)知識和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并根

據(jù)實(shí)際受力、變形規(guī)律等主要因素，忽略一些次要因素，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理

的簡化。這是一個將結(jié)構(gòu)理想化、抽象化的簡化過程。這一過程稱為力學(xué)建模。

1. 受力物體

物體在受力后都要發(fā)生形狀、大小的改變，稱為變形，但在大多數(shù)工程

問題中，這種變形相對結(jié)構(gòu)尺寸而言是極其微小的。

（1）剛體

當(dāng)變形對于研究物體平衡或運(yùn)動規(guī)律能忽略時，可認(rèn)為該物體不發(fā)生變

圖 1-12

例 1-4 圖

22 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

形。這種在受力時保持形狀、大小不變的力學(xué)模型稱為剛體。由于剛體在受力

作用后，只有運(yùn)動效應(yīng)而沒有變形效應(yīng)，因此作用在剛體上的力沿著作用線移

動時，不改變其作用效應(yīng)。

（2）變形體

當(dāng)變形對于研究物體平衡或運(yùn)動規(guī)律不能忽略時，物體稱為變形體。變

形體在外力作用下會產(chǎn)生兩種不同性質(zhì)的變形：一種是當(dāng)外力撤除時，變形也

會隨之消失，這種變形稱為彈性變形；另一種是當(dāng)外力撤除后，變形不能全部

消失而殘留部分變形，這部分變形稱為塑性變形。

當(dāng)所受外力不超過一定限度時，絕大多數(shù)工程材料在外力撤除后其變形

可消失，這種物體稱為彈性變形體，簡稱彈性體。

本書只分析構(gòu)件的小變形。所謂小變形是指構(gòu)件的變形量遠(yuǎn)小于其原始

尺寸。因此，在確定構(gòu)件的平衡和運(yùn)動時，可不計(jì)其變形量，仍按原始尺寸進(jìn)

行計(jì)算，從而簡化計(jì)算過程。

2. 荷載的分類

物體受到的力可以分為兩類。一類是使物體運(yùn)動或有運(yùn)動趨勢的力，稱

為主動力，例如重力、水壓力、土壓力等，工程上把主動力稱為荷載 ；另一類

是周圍物體限制物體運(yùn)動的力，稱為約束力。對于作為研究對象的受力物體，

以上兩類力統(tǒng)稱為外力。

如果力集中作用于一點(diǎn)，這種力稱為集中力或集中荷載。實(shí)際上，任何

物體間的作用力都分布在有限的面積上或體積內(nèi)，但如果力所作用的范圍比受

力作用的物體小得多時，作用在物體上的力的合力都可以看成是集中力。同樣

對于作用于極小范圍的力偶，稱為集中力偶。

對于作用范圍不能忽視的力（荷載），稱為分布力（荷載）。分布在物體體積

內(nèi)的荷載，如重力等，稱為體荷載。分布在物體表面上，如樓板上的荷載、水壩

上的水壓力等，稱為面荷載。如果力（荷載）分布在一個狹長范圍內(nèi)而且相互平

行，則可以把它簡化為沿狹長面的中心線分布的力（荷載），如分布在梁上的荷載，

簡化后稱為線分布力或線荷載。體荷載、面荷載、線荷載統(tǒng)稱為分布荷載。

當(dāng)分布荷載各處大小均相同時，稱為均布荷載 ；當(dāng)分布荷載各處大小不

相同時，稱為非均布荷載。由于工程中均布荷載較為常見，因此，本書只討論

均布荷載。板的自重即為面均布荷載，它是以每單位面積的重量來計(jì)算的。單

位面積上所受的力，稱為面集度，通常用 p 表示，單位為 N/m2 或 kN/m2

。梁

等細(xì)長構(gòu)件的自重即為線均布荷載，它是以每單位長度的重量來計(jì)算的，單位

長度上所受的力，稱為線集度，通常用 q 表示，單位為 N/m 或 kN/m。

在具體運(yùn)算時，通常是用簡化后的面荷載或線荷載來進(jìn)行計(jì)算。就剛體

而言，對于線均布荷載可轉(zhuǎn)換成用它的合力 FR 來進(jìn)行運(yùn)算，線均布荷載的合

力 FR 為線荷載集度 q 和荷載分布長度 l 的乘積，其方向與荷載方向一致，作

用在荷載分布的中點(diǎn)。

【例 1-5】求圖 1-13 中均布荷載對 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的矩。 圖 1-13

例 1-5 圖

1 力學(xué)基礎(chǔ) 23

【解】

（1）求均布荷載的合力 FR

FR = ql

FR 的方向和作用點(diǎn)如圖 1-13 所示。

（2）用合力代替線荷載分別對 A、B 兩點(diǎn)取矩

3. 約束與約束力

在空間可以自由運(yùn)動的物體，稱為自由體。如果物體受到某種限制、在

某些方向不能運(yùn)動，那么這樣的物體稱為非自由體。例如，放在桌面上的物體，

受到桌面的限制不能向下運(yùn)動。阻礙物體運(yùn)動的限制物，稱為約束。

約束對物體必然作用一定的力以阻礙物體運(yùn)動，這種力就是前面提到的

約束力，簡稱反力。約束力總是作用在約束與物體的接觸處，其方向總是與約

束所能限制的運(yùn)動方向相反。

下面介紹幾種工程中常見的約束及約束力。

（1）柔體約束

工程中常見的繩索、傳動帶、鏈條等柔性物體構(gòu)成的約束，稱為柔體約

束（圖 1-14）。這種約束只能限制物體沿著柔體伸長的方向運(yùn)動，而不能限制

其他方向的運(yùn)動。因此，柔體約束力的方向沿著它的中心線且背離研究物體，

即為拉力。

（2）光滑面約束

如果兩個物體接觸面之間的摩擦力很小，可忽略不計(jì)，這兩個物體之間

就構(gòu)成光滑面約束（圖 1-15）。這種約束只能限制物體沿接觸點(diǎn)處朝著垂直于

接觸面方向的運(yùn)動，而不能限制其他方向的運(yùn)動。因此，光滑接觸面約束力的

方向垂直于接觸面或接觸點(diǎn)的公切線，并通過接觸點(diǎn)指向物體。

（3）圓柱鉸鏈約束

在兩個構(gòu)件上各鉆有同樣大小的圓孔，并用圓柱形銷釘 C 連接起來

（圖 1-16）。如果銷釘和圓孔是光滑的，那么銷釘只限制兩構(gòu)件在垂直于銷釘

軸線平面內(nèi)的相對移動，而不限制兩構(gòu)件繞銷釘軸線的相對轉(zhuǎn)動，這樣的約束

稱為圓柱鉸鏈約束，簡稱鉸鏈或鉸。

當(dāng)兩個構(gòu)件有沿銷釘徑向相對移動的趨勢時，銷釘與構(gòu)件以光滑圓面接

觸，因此，銷釘給構(gòu)件的約束力 FN 沿接觸點(diǎn) K 的公法線方向指向構(gòu)件，且通

過圓孔中心（圖 1-16）。由于接觸點(diǎn) K 一般不能預(yù)先確定，所以約束力 FN 的

方向也不能確定。因此，鉸鏈約束力作用在垂直于銷釘軸線的平面內(nèi)，通過圓

x

y

圖 1-14 柔體約束

圖 1-15 光滑面約束

圖 1-16

圓柱鉸鏈約束

24 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

孔中心，方向待定。通常用兩個正交分力 Fx 和 Fy 來表示鉸鏈約束力，兩分力

的指向是假定的。

（4）鏈桿約束

如一構(gòu)件在其兩端用鉸鏈與其他構(gòu)件相連接，此構(gòu)件中間不受力，這類

約束稱為鏈桿約束（圖 1-17），也稱為二力桿約束。由于構(gòu)件上只在兩端作用

了兩個約束力，而構(gòu)件是平衡的，因此這兩個力必然大小相等、方向相反、在

同一直線上。所以，鏈桿約束的約束力沿著兩端銷釘圓心連線，指向待定。

（5）支座約束

①固定鉸支座 在連接的兩個構(gòu)件中，如果其中一個構(gòu)件是固定在基礎(chǔ)

上的支座（圖 1-18），則這種約束稱為固定鉸支座，簡稱鉸支座。固定支座約

束力與鉸鏈的情形相同。

②活動鉸支座 如果在支座與支承面之間裝上幾個輥?zhàn)樱怪ё裳刂?/p>

承面移動，即形成活動鉸支座，也稱為輥軸支座（圖 1-19）。圖中畫出了輥軸

支座的幾種簡化表示方式。如果支承面是光滑的，這種支座不限制沿著支承面

的移動和繞銷釘?shù)霓D(zhuǎn)動，只限制構(gòu)件沿支承面法線方向的移動。因此，輥軸支

座約束力垂直于支承面，通過鉸鏈中心。

圖 1-17

鏈桿約束（左）

圖 1-18

固定鉸支座（右）

x

y

圖 1-19

活動鉸支座

③固定端 如房屋的挑梁，其一端牢固嵌入墻內(nèi)，墻對其約束，使其不

能移動也不能轉(zhuǎn)動，稱為固定端約束。固定端約束力為一個方向待定的約束力

和一個轉(zhuǎn)向待定的約束力偶。方向待定的約束力通常可用水平和豎直的兩個分

力表示。圖 1-20 為固定端約束的簡化表示形式和支座約束力。

x

y

圖 1-20

固定端支座

1 力學(xué)基礎(chǔ) 25

1.1.3? 力學(xué)計(jì)算簡圖

1. 結(jié)構(gòu)的分類

工程中結(jié)構(gòu)的類型多種多樣，就幾何觀點(diǎn)可將其分為桿系結(jié)構(gòu)、板殼類

結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)三類。

桿系結(jié)構(gòu)由桿件組成，桿件的特征是其長度遠(yuǎn)大于其橫截面上的其他兩

個尺寸 ；板殼類結(jié)構(gòu)長、寬兩個方向的尺寸遠(yuǎn)大于厚度 ；實(shí)體結(jié)構(gòu)三個方向的

尺寸具有相同的量級。

桿系結(jié)構(gòu)又可分為平面桿系結(jié)構(gòu)（組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線及外力都

在同一平面內(nèi)）和空間桿系結(jié)構(gòu)（組成結(jié)構(gòu)的所有桿件的軸線及外力不在同一

平面內(nèi)）兩類，本章主要研究平面桿系結(jié)構(gòu)。

2. 力學(xué)計(jì)算簡圖

在對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力和約束經(jīng)過簡化后得到的、用于力學(xué)或工程分析

與計(jì)算的圖形，為力學(xué)計(jì)算簡圖或計(jì)算簡圖。

確定力學(xué)計(jì)算簡圖的原則為：

（1）盡可能符合實(shí)際——力學(xué)計(jì)算簡圖應(yīng)盡可能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力、

變形等特性。

（2）盡可能簡單——忽略次要因素，盡量使分析計(jì)算過程簡單。

根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)的受力特征和構(gòu)造特點(diǎn)，在力學(xué)計(jì)算簡圖中常用桿件的軸

線代表?xiàng)U件，根據(jù)結(jié)構(gòu)和約束裝置的主要特征選用對應(yīng)的支座；根據(jù)桿件連接

處結(jié)構(gòu)的受力特征和構(gòu)造特點(diǎn)選用對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

桿件的節(jié)點(diǎn)一般可分為：

（1）鉸節(jié)點(diǎn)——用圓柱鉸鏈將桿件連接在一起，各桿件可圍繞其作相對

轉(zhuǎn)動，但不能移動，如圖 1-21 所示。

（2）剛節(jié)點(diǎn)——桿件在連接處是剛性連接的，匯交于剛節(jié)點(diǎn)處的各桿件

之間不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動（保持夾角不變）與相對移動，如圖 1-22 所示。

力學(xué)計(jì)算簡圖是工程力學(xué)與土木工程中對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行分析和計(jì)算的

依據(jù)。建立力學(xué)計(jì)算簡圖，實(shí)際上就是建立力學(xué)與結(jié)構(gòu)的分析模型。建立力學(xué)

計(jì)算簡圖不僅需要必要的力學(xué)基礎(chǔ)知識，而且需要具備一定的工程結(jié)構(gòu)知識。

【例 1-6】圖 1-23 由角鋼 AB 和 CD 在 D 處用連接鋼板焊接牢。在 A、C

兩處用混凝土澆筑埋入墻內(nèi)，制成擱置管道的三角支架?，F(xiàn)在三角支架上擱置

了兩個管道，大管重 W1，小管重 W2，試畫出三角支架的力學(xué)計(jì)算簡圖。

圖 1-21

鉸節(jié)點(diǎn)（左）

圖 1-22

剛節(jié)點(diǎn)（右）

26 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

【解】

（1）構(gòu)件的簡化。角鋼 AB 和 CD 的長度遠(yuǎn)大于其他兩個尺寸，是桿系結(jié)構(gòu)，

用桿件的軸線代表?xiàng)U件，由于角鋼的自重比管道的重量小得多，因此可忽略不計(jì)。

（2）支座的簡化。由于桿件嵌入墻內(nèi)的實(shí)際長度較短，加之砂漿砌筑的

墻體本身的堅(jiān)實(shí)性差，所以在受力后，桿件在 A、C 處會產(chǎn)生微小的松動的可能，

即桿件在此處可能發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，所以起不到固定端約束的作用，只能將 A、

C 處簡化成固定鉸支座。在 D 處的焊縫同樣也不能阻止角鋼 AB 和 CD 的相對

微小轉(zhuǎn)動，故將 D 處簡化為鉸鏈。

（3）荷載的簡化。由于管道和角鋼接觸面很小，故將管道傳來的荷載簡

化為集中荷載。經(jīng)過以上簡化，即可得到圖1-23所示三角支架的力學(xué)計(jì)算簡圖。

3. 受力分析及受力圖

在求解工程力學(xué)問題時，首先需要根據(jù)問題的已知條件和待求量，選擇

一個或幾個物體作為研究對象 ；然后分析它受到哪些力的作用，其中哪些是已

知的。哪些是未知的，此過程稱為受力分析。

對研究對象進(jìn)行受力分析的步驟如下：

（1）將研究對象從與其連系的周圍物體中分離出來，單獨(dú)畫出。這種分

離出來的研究對象稱為分離體或隔離體。

（2）畫出作用于分離體上的全部荷載，并根據(jù)約束性質(zhì)確定約束處的約

束力，最后得到研究對象的受力圖。下面舉例說明受力圖的畫法。

【例 1-7】水平梁 AB 受集中荷載 Fp 和均布荷載 q 作用，A 端為固定鉸支座，

B 端為可動鉸支座，如圖 1-24 所示，試畫出梁的受力圖。梁的自重不計(jì)。

【解】取梁為研究對象，并將其單獨(dú)畫出。再將作用在梁上的全部荷載畫

上，在 B 端可動鉸支座的約束力為 FB，在 A 端固定鉸支座的約束力為 FAx 和

FAy。圖 l-24 畫出了梁的受力圖。

圖 1-23

例 1-6 圖

Ay

Ax

p p

圖 1-24

例 1-7 圖

1 力學(xué)基礎(chǔ) 27

1.2? 力系的平衡問題

1.2.1? 平面力系的簡化

如果在一個力系中，各力的作用線均分布在同一平面內(nèi)，但它們既不完

全平行，又不匯交于同一點(diǎn)，那么，我們將這種力系稱為平面一般力系，簡稱

平面力系。平面力系的研究與討論不僅在理論上，而且在工程實(shí)際中都有著重

要的意義。首先，平面力系既概括了平面內(nèi)的各種特殊力系，同時又是研究空

間力系的基礎(chǔ)。其次，平面力系是工程中最常見的一種力系，如在不少實(shí)際工

程中結(jié)構(gòu)（或結(jié)構(gòu)構(gòu)件）和受力都具有同一對稱面，此時作用力就可簡化為作

用在對稱面內(nèi)的平面力系。

如果平面力系中各力的作用線均匯交于一點(diǎn)，則此力系稱為平面匯交力

系；如果平面力系中各力的作用線均相互平行，則此力系稱為平面平行力系；

如果平面力系僅由力偶組成，則此力系稱為平面力偶系。

在作用效果等效的前提下，用最簡單的力系來代替原力系對剛體的作用，

稱為力系的簡化。為了便于研究任意力系對剛體的作用效應(yīng)，常需進(jìn)行力系的

簡化。

1. 力向一點(diǎn)平移

在前面，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)到力對物體的作用效應(yīng)取決于力的三要素（力的

大小、方向、作用點(diǎn)）。對剛體而言，根據(jù)力的可傳性原理，我們可以將力的

三要素改稱為力的大小、方向、作用線。改變力的三要素中的任意一個，力的

作用效應(yīng)都將發(fā)生變化。如果保持力的大小、方向不變，而將力的作用線平行

移動到同一剛體的任意一點(diǎn)，則力對剛體的作用效應(yīng)必定要發(fā)生變化；若要保

持力對剛體的作用效應(yīng)不變，則必須要有附加條件。

設(shè)在剛體上的 A 點(diǎn)作用有一力 F，如圖 1-25（a）所示，想將其平行移至 B

點(diǎn)。根據(jù)加減平衡力系原理，在 B 點(diǎn)加上一對平衡力 F ′ 和 F ″，并使其作用線與

力 F 的作用線相互平行，且 F = F ′ = -F ″，如圖 1-25（b）所示。顯然，F(xiàn)、F ′、F ″

三個力的作用效果與原力 F 的作用效果相同。在三個力作用時，我們又可以看成

是在 B 點(diǎn)作用一個力 F ′ 和一個力偶（F，F(xiàn) ″）。即，作用在 A 點(diǎn)的力 F 就可由作

用在 B 點(diǎn)的力 F ′ 和力偶矩為 M 的力偶（F，F(xiàn) ″）來代替，如圖 1-25（c）所示；

換言之，作用在 A 點(diǎn)的力 F，可以平行移動到 B 點(diǎn)，但同時加上一個相應(yīng)的力偶，

這個力偶稱為附加力偶。附加力偶的力偶矩 M 等于原來的力 F 對 B 點(diǎn)的矩。

由于 A、B 兩點(diǎn)及力 F 可以是任意的，因此可得出如下結(jié)論：作用在剛體

上的力可以平移到剛體上任意一個指定位置，但必須在該力和指定點(diǎn)所決定的

平面內(nèi)附加一個力偶，該附加力偶的矩等于

原力對指定點(diǎn)的矩。這個結(jié)論稱為力的平移

定理。

不難推知，根據(jù)力向一點(diǎn)平移的逆過程，

總可以將同平面內(nèi)的一個力 F 和力偶矩為 M

圖 1-25

力向一點(diǎn)平移

28 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

的力偶簡化為一個力 F ′，此力與原力 F 大小相等、方向相同，作用線間的距

離為 d = M/F，至于 F ′ 在 F 的哪一側(cè)，則視 F 的方向和 M 的轉(zhuǎn)向而定。

2. 平面力系向一點(diǎn)的簡化

設(shè)一剛體受平面力系 F1、F2、…、Fn 作用，如圖 1-26（a）所示。為了

簡化這個力系，在力系所在平面內(nèi)任取一點(diǎn) O，此點(diǎn)稱為簡化中心。應(yīng)用力的

平移定理，將各力都平移至 O 點(diǎn)，同時加上相應(yīng)的附加力偶。這樣，原來的

平面力系就簡化為作用在簡化中心 O 的平面匯交力系 F1′、F2′、…、Fn′ 及一

個平面力偶系，它們的矩分別為 M1、M2、…、Mn，如圖 1-26（b）所示，其中：

F1′=F1、F2′=F2、…、Fn′=Fn （1-10）

M1=MO（F1）、M2=MO（F2）、…、Mn=MO（Fn） （1-11）

由此可見，力系向一點(diǎn)簡化的方法，實(shí)質(zhì)上就是把一個較復(fù)雜的平面力

系簡化為兩個簡單的基本力系：平面匯交力系和平面力偶系。

一般情況下，平面匯交力系可合成為作用于 O 點(diǎn)的力，力的大小和方向

等于作用于 O 點(diǎn)的各力的矢量和，也就是等于原力系中各力的矢量和，用 FR′

表示，即 ：

i=1

n

（1-12）

FR′ 為原力系的主矢量，簡稱主矢，如圖 1-26（c）所示。

一般情況下，平面力偶系可合成為一個合力偶，合力偶的力偶矩等于各

附加力偶矩的代數(shù)和，也就是等于原力系中各力對簡化中心O點(diǎn)之矩的代數(shù)和，

用 MO′ 表示，即 ：

i=1

n

n

（1-13）

MO′ 為原力系對簡化中心 O 的主矩，如圖 1-26（c）所示。

從上式可知，由于原力中各力的大小和方向都是一定的，它們的矢量和也是

一定的。即對一個已知力系來說，無論選擇哪一點(diǎn)作為簡化中心，主矢是不會改

變的，換言之，主矢與簡化中心的位置無關(guān)。但從上式可知，力系中各力對不同

簡化中心的矩是不同的，因?yàn)殡S著簡化中心的位置變化，各力偶的力臂及轉(zhuǎn)向均

可能發(fā)生變化，主矩自然將隨之發(fā)生變化。因此，力系的主矩一般與簡化中心的

位置有關(guān)。所以說到主矩時，必須指明簡化中

心的位置，即指明對哪一點(diǎn)的主矩，符號 MO′

中的下標(biāo) O 即表示簡化中心為 O。

總之，平面一般力系向作用面內(nèi)任意一

點(diǎn)簡化的結(jié)果一般是一個力和一個力偶。這

個力的作用線通過簡化中心，其大小和方向

圖 1-26

平面力系向一點(diǎn)的簡化

1 力學(xué)基礎(chǔ) 29

取決于原力系中各力的矢量和，即等于原力系的主矢，與簡化中心的具體位置

無關(guān)；這個力偶的矩等于原力系中各力對簡化中心之矩的代數(shù)和，即等于原力

系對簡化中心的主矩，一般隨簡化中心位置的變化而變化。但需指出，平面力

系向一點(diǎn)簡化所得到的主矢和主矩，并不是該力系簡化的最終結(jié)果。因此，有

必要根據(jù)力系的主矢和主矩這兩個量對可能出現(xiàn)的幾種情況作進(jìn)一步討論。

（1）FR′=0，MO′ ≠ 0，此時原力系只與一個力偶等效，此力偶稱為原力系

的合力偶。所以原力系簡化的最后結(jié)果是一個合力偶，其矩 MO′ 為原力系各力

對簡化中心 O 的主矩 ∑MO

（′ Fi

），此主矩與簡化中心的位置無關(guān)，如圖 1-27（a）

所示。因?yàn)楦鶕?jù)力偶的性質(zhì)，力偶矩與矩心的位置無關(guān)，也就是說原力系無論

是對哪一點(diǎn)進(jìn)行簡化，其最后結(jié)果都是一樣的。

（2）FR′ ≠ 0，MO′=0，此時原力系只與一個力等效，此力稱為原力系的合

力。所以原力系簡化的最后結(jié)果是一個合力，它等于原力系的主矢，作用線通

過簡化中心，如圖 1-27（b）所示。如果用 FR 表示合力，則有 FR=FR′= ∑

n

i=1

Fi

。

（3）FR′ ≠ 0，MO′ ≠ 0，此時可根據(jù)力的平移定理的逆過程，將作用線通

過 O 點(diǎn)的力 FR′ 和力偶 MO′ 合成為一個作用線通過點(diǎn) O ′ 的力，此力稱為原力系

的合力，如圖 1-27（c）所示，且有 FR=FR′= ∑

n

i=1

Fi

，合力作用線到 O 點(diǎn)的距離 d 為：

（1-14）

至于合力 FR′ 是在主矢 FR 的左側(cè)還是右側(cè)，則要根據(jù)主矩 MO′ 的正負(fù)號

來確定。

從以上（2）、（3）討論可知，只要力系向某一點(diǎn)簡化所得的主矢不等于零，

則無論主矩是否為零，最終均能簡化為一個合力 FR。

圖 1-27

平面力系向一點(diǎn)的簡化

（4）FR′=0，MO′=0，此時原力系是一個平衡力系。關(guān)于平衡力系將另進(jìn)行

討論。

【例 1-8】將圖 1-28（a）所示平面任意力系向 O 點(diǎn)簡化，求其所得的

主矢及主矩，并求力系合力的大小、方向及合力與 O 點(diǎn)的距離 d，并在圖上

畫出合力的作用線。圖中方格每格邊長為 5mm，F(xiàn)1=5N，F(xiàn)2=25N，F(xiàn)3=25N，

F4=20N，F(xiàn)5=10N，F(xiàn)6=25N。

【解】

（1）向 O 點(diǎn)簡化

30 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

各力在 z 軸的投影為：

ix x x

i=1

6

各力在 y 軸的投影為：

i=1

iy y y

6

主矢的大小為：

i=1

6

i=1

6

i=1

6

i=1

6

iy

iy

ix

ix

主矢與 x 軸的夾角為：α=135°

主矩 ：

i=1

6

（2）力系的合力

力系的合力大小與主矢的大小相等，方向與主矢平行。合力的作用點(diǎn)至

O 點(diǎn)的距離為：

合力的作用線位置如圖 1-28（b）所示。

圖 1-28

例 1-8 圖

1 力學(xué)基礎(chǔ) 31

1.2.2? 平面力系的平衡

物體的平衡，即物體的運(yùn)動狀態(tài)不變，包括靜止和勻速直線運(yùn)動兩種，

且這兩種情況均是相對地球而言。我們說某物體處于平衡狀態(tài)，就是說某物體

在力的作用下，其運(yùn)動狀態(tài)保持不變，在土木工程中，多數(shù)情況下是指相對地

球處于靜止?fàn)顟B(tài)。

若力系對物體的作用使物體處于平衡狀態(tài)，則此力系稱為平衡力系。平

衡力系中的任意一個力都是其他力的平衡力。

1. 平衡條件

我們已經(jīng)知道，一般情況下平面力系與一個力及一個力偶等效。若與平

面力系等效的力和力偶均為零，則原力系一定平衡。因此，平面力系平衡的必

要和充分條件是力系的主矢 FR′ 和對任意一點(diǎn) O 的主矩 MO′ 均為零，即：

O

（1-15）

2. 平衡方程

平衡條件（上式）也可以用解析式的形式來表示。任選兩個相交的坐標(biāo)

軸 x 和 y，由 FR′= 0 得 FRx′= 0、FRy′= 0，于是上式可寫成：

y

x

O

（1-16）

這組方程為平面力系平衡方程的基本形式，其中前兩式稱為投影方程，

第三式是力矩方程。

上式表明：平面力系平衡的必要和充分條件是，力系中各力在任意兩個

相交坐標(biāo)軸上投影的代數(shù)和等于零，且各力對任意一點(diǎn)之矩的代數(shù)和也等于零。

平面力系的平衡方程，還有另外兩種形式。

（1）二矩式

x

（1-17）

其中，A、B 兩點(diǎn)的連線不能垂直于 x 軸。

（2）三矩式

（1-18）

其中，A、B、C 三點(diǎn)不能共線。

32 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

平面力系的平衡方程雖然有上述三種不

同的形式，但必須強(qiáng)調(diào)的是，一個在平面力

系作用下而處于平衡狀態(tài)的剛體，只能有三

個獨(dú)立的平衡方程式，任何第四個平衡方程

都只能是前三個方程的組合，而不是獨(dú)立的。

在實(shí)際工程中應(yīng)用平衡方程分析問題

時，應(yīng)根據(jù)具體情況恰當(dāng)選取矩心和投影軸，

盡可能使一個方程中只包含一個未知量，避

免解聯(lián)立方程。另外，利用平衡方程求解平衡問題時，受力圖中未知力的指向

可以任意假設(shè)，若計(jì)算結(jié)果為正值，表示假設(shè)的指向就是實(shí)際指向；若計(jì)算結(jié)

果為負(fù)值，表示假設(shè)的指向與實(shí)際指向相反。

【例 1-9】在圖 1-29（a）所示的結(jié)構(gòu)中，橫梁 AC 為剛性桿，A 端為鉸

支，C 端通過鉸鏈與一鋼索 BC 固定。已知 AC 梁上所受的均布荷載集度為

q=30kN/m，試求橫梁 AC 所受的約束力。

【解】

（1）取隔離體，畫受力圖

取梁 AC 為研究對象，因 A 端為鉸支，BC 為柔性約束，故其受力圖如圖 1-29

（b）所示。

（2）求梁 AC 的約束力

因 FAx、FAy 均作用于 A 點(diǎn)，則 AC 關(guān)于 A 點(diǎn)取矩的力矩平衡方程中僅有

FBC 一個未知力，即：

利用力的投影方程求 FAx，F(xiàn)Ay：

y

y

y

x

x

x

x

y

圖 1-29

例 1-9 圖

y

x

1 力學(xué)基礎(chǔ) 33

【例 1-10】如圖 1-30（a）所示，纜索跨距為 30m，在離右端 10m 處若垂

度為 5m，重物重 W=1.5kN，不計(jì)滑輪大小。試求纜索受力 Fp 及曳引力 F。

【解】取滑輪為研究對象，其受力圖如圖 1-30（b）所示。因不計(jì)滑輪的大小，

故可認(rèn)為滑輪所受的力均匯交于一點(diǎn)。

p p

圖 1-30

例 1-10 圖

利用水平投影方程得：

∑Fx= 0

Fpcos α + F cos α - Fpcos β = 0

∑Fy= 0

F sin α + Fpsin α + Fpsin β - W = 0

而 cos β ≈ 0.97 cos α ≈ 0.89 sin β ≈ 0.24 sin α ≈ 0.45

則有：

0.89F - 0.08Fp = 0

0.45F + 0.69Fp - 1.5 = 0

解得：Fp = 2.05kN F = 0.185kN

3. 平面平行力系

如果平面力系中各力的作用線均相互平行，則此力系稱為平面平行力系。

顯然，平面平行力系也是平面一般力系的一種特例，其平衡方程可由平面一般

力系的平衡方程推出。假設(shè) x 軸與各力的作用線相垂直，則各力在 x 軸上的投

影均為零，因此平衡方程中的 ∑Fx= 0 自然成立，從而平面平行力系的平衡方

程就寫成：

y

（1-19）

當(dāng)然，平面平行力系的平衡方程也可寫成二矩式，即：

（1-20）

其中，A、B 兩點(diǎn)之間的連線不能與各力的作用線相平行。

34 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

1.2.3? 物體系統(tǒng)的平衡

由若干個物體通過一定的約束方式連接而成的系統(tǒng)，稱為物體系統(tǒng)，有

時將其簡稱為物系。求解物體系統(tǒng)平衡問題的基本原則和處理單個物體平衡問

題的基本原則是一致的，但情況要復(fù)雜些。

1. 物體系統(tǒng)平衡問題的求解方法

當(dāng)物體系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，組成該系統(tǒng)的每個物體或若干物體組成的

局部也處于平衡狀態(tài)。根據(jù)剛化原理可知，求解物體系統(tǒng)的平衡問題時，既可

選取系統(tǒng)的整體作為研究對象，也可選取系統(tǒng)的局部或單個物體作為研究對象。

【例 1-11】位于鉛垂面的活動折梯放在光滑水平面上，梯子由 AC 和 BC

兩部分用鉸鏈 C 和繩子 EH 連接而成，如圖 1-31（a）所示。今有一人重為

F=600N，站在 AC 梯的 D 處。折梯自重不計(jì)。試求 A、B 兩處地面的反力、

繩 EH 的拉力及鉸鏈 C 所受的力。

【解】

（1）先取整個折梯（包括站在梯上的人）為研究對象，其受力如圖 1-31（b）

所示。兩折梯通過鉸鏈 C 相互作用的力以及繩子作用的力都是內(nèi)力，彼此等值、

反向、共線，對系統(tǒng)的平衡沒有影響，故不必考慮。

顯然，整體在平面平行力系作用下處于平衡狀態(tài)。利用平衡方程則有：

y

（2）再取 BC 梯為研究對象，畫出其受力圖如圖 1-31（c）所示。作用

在 BC 梯上的力有法向反力 FB、繩的拉力 FEH 以及 AC 梯通過鉸鏈 C 對它的作

用力 FCx、FCy。對整個折梯而言，F(xiàn)EH 和 FCx、FCy 屬于內(nèi)力，而對 BC 梯而言，

它們是外力。

圖 1-31

例 1-11 圖

x x

y y

1 力學(xué)基礎(chǔ) 35

可見，內(nèi)力和外力的區(qū)分是相對的，只有對于確定的研究對象來說才有

意義。

BC 梯在平面一般力系作用下處于平衡狀態(tài)，其平衡方程為 ：

y

y

y

y ,

負(fù)號表示 FCy 的實(shí)際方向與圖 1-31（c）所示的相反。

x

i

x

x

x

除上述解題方案外，還有下面兩種方案：

（1）先取整個折梯為研究對象，再取 AC 梯為研究對象。AC 梯的受力如

圖 1-31（d）所示?？梢?，AC 梯的受力情況較 BC 梯復(fù)雜一些，解其平衡方

程也相應(yīng)復(fù)雜些。

（2）將整個折梯拆開，分別取 BC 梯和 AC 梯為研究對象，各列出三個平

衡方程，而后聯(lián)立求解。這種解法不可取，因?yàn)橐婕扒蠼舛嘣?lián)立方程。

在正式求解物系平衡問題之前，比較一下可能的“解題方案”，選取其中

較簡捷的一種會使解題過程變得簡單。

【例 1-12】梁 AB 和 BC 在 B 處用圓柱鉸鏈連接。梁上作用有均布荷載、

集中荷載和集中力偶。A 處為固定端，E 處為滾動鉸支座，尺寸如圖 1-32（a）

圖 1-32

例 1-12 圖

Ay

By By Ay

36 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

所示。已知均布荷載集度為 q，集中荷載 F = ql，集中力偶的力偶矩 M = ql2

，

梁的重力不計(jì)。試計(jì)算 A、B 和 E 三處的約束力。

【解】

（1）受力分析：

系統(tǒng)的受力如圖 1-32（b）所示，其上共有 4 個未知力（FAx、FAy、MA 和

FE）。因此，僅考慮整體平衡不能求出全部約束力，但能確定 FAx = 0。

AB 梁和 BC 梁的受力分別如圖 1-32（d）、（c）所示，其上都作用有已知

的主動力和所要求的未知力，且力系均為平面力系。從二者的受力圖可以看出，

應(yīng)先選 BC 梁為研究對象，因?yàn)?BC 梁上只有 3 個未知力，且都可以由平衡方

程求得 ；然后再通過對 AB 梁的分析，即可求出 A 處的約束力。

（2）選 BC 梁為研究對象。BC 梁的受力如圖 1-32（c）所示。由平衡方程

可得 ：

Bx

Bx

By

By

x

y

（3）再選 AB 梁為研究對象，AB 梁的受力如圖 1-32（d）所示。由平衡

方程可得 ：

Ax

Ax

Ay

y Ay

x

By

By

上述分析過程表明，求解剛體系統(tǒng)的平衡問題時，往往要選擇兩個以上

的研究對象，分別畫出其受力，列出必要的平衡方程。

選擇哪一個剛體作為研究對象才能使求解過程更為簡化，這要根據(jù)不同

的問題進(jìn)行不同的選擇和處理。例如，本例的第二個研究對象還可以選 ABC

梁整體，其受力如圖 1-32（b）所示。

根據(jù)以上分析，求解剛體系統(tǒng)平衡問題的一般方法和過程如下：

（1）分析系統(tǒng)的整體平衡或某一局部平衡；分析有幾個未知力以及獨(dú)立

的平衡方程數(shù)，并分析應(yīng)用平衡方程可以求得哪些未知力。

1 力學(xué)基礎(chǔ) 37

（2）根據(jù)需要將系統(tǒng)拆開，選擇合適的剛體作為研究對象。所謂合適是指：

作用在剛體上的未知力的個數(shù)等于平衡方程數(shù)；剛體上既有已知力，又有未知

力。如果一個剛體尚不能滿足這些條件，可再選另一個剛體作為與之有關(guān)的研

究對象。

注意應(yīng)畫出每個研究對象的受力圖，并應(yīng)用作用與反作用定律正確畫出

相關(guān)聯(lián)剛體的受力。

注意區(qū)別內(nèi)力和外力。系統(tǒng)未拆開時，剛體與剛體之間的相互作用為內(nèi)力，

對系統(tǒng)平衡無影響，故不必畫出 ；但拆開后，原來系統(tǒng)的內(nèi)力對于單個剛體而

言就變成了外力，因而必須畫出。

（3）根據(jù)研究對象所作用力系的類型選擇適當(dāng)?shù)钠胶夥匠糖蠼狻?/p>

2. 靜定與超靜定問題

當(dāng)研究單個物體或物體系統(tǒng)的平衡問題時，若未知量的數(shù)目少于或等于

獨(dú)立的平衡方程數(shù)目，就能夠利用平衡方程求解出全部未知量，這類問題稱為

靜定問題。在此之前我們所討論的平衡問題均屬于這類。但在實(shí)際工程中，有

時為了提高構(gòu)件的剛度或調(diào)整其內(nèi)力分布，常給結(jié)構(gòu)或構(gòu)件增加一些“多余”

的約束，從而在研究單個物體或物體系統(tǒng)的平衡問題時，使得這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件

的未知量數(shù)目超過獨(dú)立的平衡方程數(shù)目，無法僅利用平衡方程求解出全部未知

量，這類問題稱為超靜定問題，有時也稱此類問題為靜不定問題。

1.3? 平面體系的幾何組成分析

桿系結(jié)構(gòu)（簡稱結(jié)構(gòu)）是由若干桿件用鉸節(jié)點(diǎn)和剛節(jié)點(diǎn)連接而成的桿件

體系，在結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件不發(fā)生失效的情況下，其能承擔(dān)一定范圍內(nèi)任意荷載

的作用。如果結(jié)構(gòu)不能承擔(dān)一定范圍內(nèi)任意荷載的作用，這時在荷載作用下極

有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，這種失效是由于結(jié)構(gòu)組成不合理造成的，與構(gòu)件的失效

不一樣，往往發(fā)生比較突然、范圍較大，在工程中必須避免。這就需要對結(jié)構(gòu)

的幾何組成進(jìn)行分析，以保證結(jié)構(gòu)有足夠、合理的約束，防止結(jié)構(gòu)失效。本節(jié)

將簡要說明超靜定結(jié)構(gòu)與靜定結(jié)構(gòu)的不同之處，及其在防止構(gòu)件和結(jié)構(gòu)失效方

面的利弊。

1.3.1? 結(jié)構(gòu)組成的幾何規(guī)則

1. 概述

在荷載作用下，不考慮材料的變形時，結(jié)構(gòu)體系的形狀和位置都不可能

變化的結(jié)構(gòu)體系，稱為幾何不變體系（圖 1-33）。形狀和位置都可能變化的結(jié)

構(gòu)體系，稱為幾何可變體系（圖 1-34）。顯然，幾何可變體系是不能作為工程

結(jié)構(gòu)使用的，工程結(jié)構(gòu)中只能使用幾何不變體系。

鉸接三角形是結(jié)構(gòu)中最簡單的幾何不變體系，這是因?yàn)榻M成三角形的三條邊

一旦確定，這三條邊組成的三角形就是唯一確定的，因此鉸接三角形是幾何不變

圖 1-34

幾何可變體系

圖 1-33

幾何不變體系

38 建筑結(jié)構(gòu)選型（第二版）

體系。如果在鉸接三角形上任意減少一個部分，如將圖 1-35（a）所示的鉸接三

角形 ABC 拆開，體系就成了幾何可變體系，因此鉸接三角形是幾何不變體系中最

簡單的。以上稱為鉸接三角形規(guī)則，其是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行組成分析的最基本規(guī)則。

如果在鉸接三角形上再增加一根鏈桿 AD（圖 1-35b），體系 ABCD 仍然

是幾何不變體系，從維持幾何不變的角度來看，有的約束是多余的（如 AD 或

AC 等鏈桿），這些約束稱為多余約束。因此，在幾何不變體系中又分無多余約

束幾何不變體系和有多余約束幾何不變體系。

對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行組成分析時不考慮各個構(gòu)件的變形，因此每個構(gòu)件或每

個幾何不變體系均可認(rèn)為是剛體。由于我們研究的是平面問題，這些剛體通常

稱為剛片。剛片的形狀對組成分析無關(guān)緊要，因此形狀復(fù)雜的剛片均可以用形

狀簡單的剛片或桿件來代替。

綜上所述，我們可以得出結(jié)構(gòu)組成分析的基本規(guī)則。

2. 二元體規(guī)則

在鉸接三角形中，將一根桿視為剛片，則鉸接三角形就會變成一個在剛

片上用兩根不共線的鏈桿在一端鉸接成的一個節(jié)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)叫作二元體結(jié)構(gòu)

（圖 1-36）。于是鉸接三角形規(guī)則可表達(dá)為二元體規(guī)則：一個點(diǎn)與一個剛片用

兩根不共線的鏈桿相連，可組成幾何不變體系，且無多余約束。

3. 兩剛片規(guī)則

若將鉸接三角形中的桿 AB 和桿 BC 均視為剛片，桿 AC 視為兩剛片間的

約束（圖 1-37），則鉸接三角形規(guī)則可表達(dá)為兩剛片規(guī)則：兩剛片間用一個鉸

和一根不通過此鉸的鏈桿相連，可組成幾何不變體系，且無多余約束。圖 1-38

（a）表示兩剛片用兩根不平行的鏈桿 1、2 相

連，兩鏈桿的延長線相交于 A 點(diǎn)，兩剛片可

繞 A 點(diǎn)作微小的相對轉(zhuǎn)動。這種連接方式相

當(dāng)于在 A 點(diǎn)有一個鉸把兩剛片相連。當(dāng)然，

實(shí)際上在 A 點(diǎn)沒有鉸，所以把 A 點(diǎn)叫作“虛

鉸”。如在剛片Ⅰ、Ⅱ之間加一根不通過 A 點(diǎn)

的鏈桿 3（圖 1-38b），就組成幾何不變體系，

且無多余約束。

圖 1-35

鉸接三角形幾何不變

分析

圖 1-36

二元體結(jié)構(gòu)

圖 1-37

兩剛片間的約束

圖 1-38

兩剛片規(guī)則示意圖

1 力學(xué)基礎(chǔ) 39

4. 三剛片規(guī)則

若將鉸接三角形中的三根桿均視為剛片（圖 1-39），則有三剛片規(guī)則：三

剛片間用不在同一直線上的三個鉸兩兩相連，可組成幾何不變體系，且無多余

約束。根據(jù)上述簡單規(guī)則，可逐步組成更為復(fù)雜的幾何不變體系，也可用這些

規(guī)則來判別給定體系的幾何不變性。上述組成規(guī)則都具有一些限制條件，如果

不能滿足這些條件，將會出現(xiàn)下面所述的情況。

在二元體中要用不共線的兩根鏈桿相連方可組成幾何不變體系。在圖 1-40

中，兩鏈桿在一條直線上。從約束的布置上就可以看出是不合理的，因?yàn)閮涉?/p>

桿都在同一水平上，因此，對限制 A 點(diǎn)的水平位移來說具有多余約束，而在

豎向卻沒有約束，A 點(diǎn)可沿豎向移動，體系是可變的。不過當(dāng)鉸 A 發(fā)生微小移

動至 A′ 時，兩根鏈桿將不再共線，運(yùn)動將不再繼續(xù)發(fā)生。這種在某一瞬間可

以發(fā)生微小位移的體系稱為瞬變體系，有時瞬變體系在受力時會對桿件產(chǎn)生巨

大的內(nèi)力，使桿件發(fā)生破壞，因此瞬變體系不能作為結(jié)構(gòu)使用。

如圖 1-41（a）所示的兩個剛片用三根鏈桿相連，鏈桿的延長線全部交于

O 點(diǎn)，此時，兩個剛片可以繞 O 點(diǎn)作相對轉(zhuǎn)動，但在發(fā)生微小轉(zhuǎn)動后，三根

鏈桿就不再全部交于一點(diǎn)，從而將不再繼續(xù)作相對轉(zhuǎn)動，故是瞬變體系。又如

圖 1-41（b）所示的兩個剛片用三根相互平行但不等長的鏈桿相連，此時，兩

個剛片可以沿著與鏈桿垂直的方向發(fā)生相對移動，但在發(fā)生微小移動后，這三

根鏈桿就不再互相平行，故這種體系也是瞬變體系。應(yīng)該注意到，若這三根鏈

桿等長并且是從其中一個剛片沿同一方向引出時（圖 1-41c），則在兩個剛片

發(fā)生相對移動后，這三根鏈桿仍保持相互平行，運(yùn)動將繼續(xù)發(fā)生，這樣的體系

就是幾何可變體系。

圖 1-39

剛片示意圖

圖 1-40

鏈桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-41

兩個剛片的連接

1.3.2? 結(jié)構(gòu)組成分析方法

幾何不變體系的組成規(guī)則是進(jìn)行結(jié)構(gòu)組成分析的依據(jù)，對體系重復(fù)使用

這些規(guī)則就可判定結(jié)構(gòu)體系是否是幾何不變體系及有無多余約束等。分析時，

一般先從能直接觀察出的幾何不變部分開始，應(yīng)用組成規(guī)律，逐步擴(kuò)大不變部

分直至整體。我們在前面學(xué)習(xí)中遇到的結(jié)構(gòu)大部分是無多余約束的幾何不變結(jié)

構(gòu)體系，如簡支結(jié)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)和三鉸結(jié)構(gòu)等。在很多結(jié)構(gòu)體系中，有一部分

結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成為上述結(jié)構(gòu)，這部分結(jié)構(gòu)通常稱為結(jié)構(gòu)體系的基本部分，這是

首先應(yīng)該觀察出來的。其他部分稱為附屬部分，可以通過應(yīng)用組成規(guī)律對其進(jìn)

行判斷。對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，為了便于分析，可先拆除不影響幾何不變性