浅谈从力的传递的角度认识结构
发布时间：2020-01-16
浅谈从“力的传递”的角度认识结构一.从力的传递的角度认识结构的必要性
力的传递是结构工程师思考的永恒主题，个人理解准确把握力的传递路径、针对性采取构造处理是结构工程师的重要职责；而在掌握基本结构（如梁、柱、板、拱、框架等等）受力特点的基础上实现结构整体的经济合理则是对工程师的更高要求。
在工作中，我们会面对多种多样的结构形式，也习惯于从感性的角度去认识结构，如功能、跨度、形式、结构尺寸、构件名称等等，如果停留在这一层面，则结构在认识中是杂乱无章的，很难有一个清晰的脉络和头绪。作为设计的一个阶段，为了使知识和经验的脉络清晰可辨，结构工程师必须经历一个从单纯感性认识到感性和理性认识结合的阶段，就必须尝试从力的传递的角度去认识结构。
如果从力的传递的角度去认识结构，我们会惊奇的发现不同的结构之中有诸多相通之处，这样一来形式纷繁复杂的结构有了彼此沟通的语言，高层建筑和大跨度桥梁、地铁车站和桥梁之间有了生动的联系，而我们的认识也可以升华，对既有成熟的构造处理可以从受力的角度去认识其合理性；同样对于不熟悉的结构，则可以形成对其宏观受力特点的认识，从而为采取相应的构造处理奠定基础。长期坚持这种认识的角度和方法，就会形成一套对结构的理性认识。个人理解，一定程度上结构工程师的重要使命就是建立和主动的利用这种理性认识，努力把原来只能感性描述的转化为可以量化的，即使一个误差有100%的估计也比没有要好的多，它避免了措施的盲目性和不确定
性，从这个意义上讲是认识层次的升华。
当然感性认识和理性的思考并不矛盾，实际上建立在理性的知识储备基础上的感觉才是结构工程师最为宝贵的东西，同时所谓的“理性认识”如果在大脑中成为僵化的教条，则结果更为可怕，因此在理性思索的基础上，我们也需要适时跳出原有的边界束缚，而从一个结构的最初功能需求或者说站在局外人的角度重新去认识结构，只有这样结构才能是灵活的和生动的，真正的结构大师一定是设计越做越灵活，越做束缚越少的。
回头想来，从力的传递的角度去认识结构是一个很难用语言表达的命题，每个人可能都有不同的理解。但是如果我们换个角度去思考这个问题，从力的传递的角度去认识一些我们已经熟悉或习惯的结构，这个问题就有了具体的内涵，也就容易把控一些；如果我们能将这些经过了思考后的认识深化，则对后续如何从力的传递的角度把握一些我们不熟悉的结构是大有益处的。在面对一个新结构时就会首先从保证力的传递的角度去建立认识，这样一来就避免了依靠感性的参数如跨度、几何尺寸等建立的、可能包含一定盲目性的认识去理解结构，同时可以避免有限元分析模型不完善带来的构造缺陷；而对于已经熟悉的结构，则换一个角度理解会理解原有成功的构造的力学含义，也能发现一些原本我们忽视的构造环节，从而奠定后续设计优化的基础。 综上所述，从“力的传递”的角度去认识结构是十分必要的。 二.工程中常见的“力的传递”问题 1.结构设计方法的总体回顾
不管是建筑还是桥梁，实际结构设计中一般均采用了两个大的简化原则：1）将空间结构简化为平面结构（虽然随着计算机技术的发展，已经在一定程度上缓解，但平面模型仍有很大的应用空间）。 2）工程中绝大部分构件仍简化为梁来进行内力分析和结构设计，即认为构件的应变符合平截面假定，且处于线弹性阶段。
原则1）是利用了多数结构几何和主要受力构件的对称性，近似将空间受力简化为两个平面内独立变量函数的乘积，从而将结构简化为两个独立的平面结构进行设计；原则2）则是忽略了结构中由于荷载或几何特征造成的受力、变形行为不连续区域，从而使设计可以简化为针对每个截面的设计。
这是绝大部分设计所遵循的思路，也是早期计算机尚未普及的情况下可以进行结构设计的重要原因。但是需要注意的是，在将结构整体受力简化为平面结构的同时，还需要最终将两个平面的受力重新组合为空间结构进行审视和回顾，查看有限元模型简化过程中并未关注的局部构造或细节，是否存在“传力”缺陷，确保“力”按照预先设定的路径进行传递。
结构设计中，我们需要格外重视结构受力和变形行为不连续的特殊区域的荷载传递路径，如何把控这些区域的受力是工程师必须面对的重要课题。从这个意义上讲早期那些不依赖计算机的工程师是更令人尊敬的，因为他们需要更多的从宏观角度和受力的角度去把握结构。 本次讨论的“力的传递”问题绝大部分是针对D区进行讨论的。 2.力在受力、变形行为不连续区域（D区）的传递
欧、美的设计规范对受力、变形行为不连续区域该问题十分重视，已经形成了系统的计算方法，并纳入了设计规范，而我国则依赖于工程师的结构素养、理解和构造处理，没有明晰的计算方法和划分。
概括而言，欧、美规范将结构受力的区域划分为B区（“B” standing for beam or Bernoulli,或C区（continuous）和D区（Discontinuity）,对于C区采用我们通常的常规分析方法，而对于D区则需要采用特殊的分析方法和构造处理。
根据圣维南原理，在作用点处静力等效的不同荷载经过长度为一倍结构高度（截面尺寸的大者）的传递后，可以忽略其局部效应。因此B区和D区基本以该原则的划分。
实际上D区在我们的日常设计中无所不在，如集中荷载作用点、预应力箱梁的锯齿板、预应力锚固点到全截面受力的区段、横隔墙、框架结构或箱形桥的节点、拱桥的拱座、斜拉桥的拉索锚固区等等。概括而言，就其成因而言其主要可以分为三类：一种是集中荷载或集中应力的存在；二是几何构造上的不连续如刚度突变；三是跨高比不满足梁理论。实际结构中的D区往往是上述一种或多种原因组合造成的，其划分的界限也并不十分清晰，因为一旦有几何突变，就一定会有应力集中。下面以最简单的简支梁为例，给出了D区和B区划分的典型案例，工程经验告诉我们截面的抗剪强度和剪跨比息息相关，实际上就是荷载作用点的不同而导致的传力机理不同造成的（对于靠近支座区域，剪力是通过斜向的压杆和底部的拉杆实现传递的，国外对于抗剪强度的计算实际上是基于变角度的桁架理论，我国规范对于该
类问题的描述较少，一般仅部分科研单位掌握）。下面就一些典型问题再给予说明和解释。
1）集中荷载或集中应力的传递
对于结构设计而言，集中荷载或集中应力都只能是局部或暂时存在的，因为我们的结构设计理论是基于梁理论，材料的强度也都是针对均匀受力的情况下设定的。
从宏观上讲，只要存在集中力或集中应力传递区域，原则上就要设置将集中荷载转换为分布荷载的构造，民用建筑中习惯称之为转换结构，桥梁结构中虽然没有固定的名称，但这类构造是十分常见的，
只不过我们熟视无睹而已，如支承垫石、空心桥墩的实体段、箱形拱桥吊杆或立柱处的隔墙、扩大基础的厚度要求等等。
换言之，集中荷载或集中应力需要经过传递长度才能转换为均匀应力，才能够依据梁理论进行设计。 2）刚度突变区域力的传递
严格来讲，这也是D区受力的一个特例，但是这里所说的刚度突变区域的传递主要是指总体受力和变形角度而言的，重点不在该区域的局部传递上。通常而言，结构存在刚度突变单就“力的传递”而言并不是不可接受的，但就使用功能而言，绝大多数情况下是不可接受的，在此情况下一般需设置刚度转换构造。 