《结构概念与体系》读书报告

《结构概念与体系》

“该书从头到尾充实了非常深厚的知识……?学生以及从事专业工作的建筑师或结

构工程师都会发现该书的内容是有裨益的。”

——美国建筑学会期刊（AIA Journal ）之前的一个月我在上班，所以平时能看书的时间并不多。搬到学校之后我终于有了属于自己的空间，我开始阅读这本周老师推荐的《结构概念与体系》。这本书与另外两本林同炎著作《预应力混凝土结构设计》、《钢结构设计》被称为“世界土木工程师必读之书”。整本书遵循着由浅入深先整体后部分的路线，先讲基本的概念理论和最重要的设计思想，使读者对全书的中心思想有个大致的把握，中后段才着重讲述分体系以及相关重要构件的具体知识，使人阅读起来思路明确，知识结构更加连贯。由于是翻译本，有些地方理解的不太清楚，而且全书知识博大精深，内涵丰富，根本也不是一遍就能读懂的。所以这篇读书笔记只是我在读第一遍时做的基本记录，后面我还会读第二遍第三遍，我相信像这样的好书读多少遍都是不够的，它是个宝库，我会不断地发掘它。

显而易见的，《结构概念和体系》是一本对建筑师和结构工程师的成长都大有裨益的书。长久以来，建筑设计师和结构工程师之间有着先天的难以避免的矛盾。建筑师的工作比较偏艺术性，而工程师则是偏技术性的。建筑师考虑的是建筑物的美观和更多的使用空间而工程师考虑的是结构的安全性、经济性和实用性。有些时候建筑设计师天马行空的设计无法跟现有的结构技术或是结构理论吻合起来，矛盾就不可避免了。消除建筑师和工程师这两个角色之间的矛盾就是这本书的任务之一。它不同于别的结构教科书详细介绍怎样设计建筑物的每个构件，而是从建筑物整体出发，从建筑设计的源头处着手，消除建筑设计师和结构工程师认识上的偏差，通过概念上的简单公式对建筑物进行总体设计，使得设计结果能够让双方都能满意，从而设计出整体性的优秀建筑体。

第一章．

第一章的内容比较少，主要是从概念上大致讲解建筑设计的主要过程以及相关知识学习的主题思路。要想保证建筑设计的整体性，就需要在设计时将相互有关的空间形式分体系综合考虑。在分体系设计时，至少要有三个“反馈”考虑阶段：方案设计阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。建筑设计主要分为四个步骤：一、整体建筑形式的初步构思（建立基本功能目标并转化为总体场地规划、活动组织方案和外形布置）；二、按总结构体系对建筑形式总体构思（构思主要结构方案和分体系相互关系的要求）；三、提出建议方案的初步设计（确定主要分体系和关键构件的物理性能，以证明设计的可行性）；四、为实现建筑要求，对初步设计全面改进（最终深化设计，改进分体系和构件设计并准备设计文件）。这种分阶段的设计方法可以突出设计构思的概念阶段，从而避免基本思路受到细节问题的干扰。在初步设计阶段，建筑师必须用概念的方式来确定基本方案的全部空间形式的可行性。在初步设计阶段，建筑师必须能够用图形表达出对主要分体系的要求，而且通过近似估计关键构件的性能来证明他们相互关系的可行性。在施工图设计阶段，建筑师和专业人员必须继续合作，完成所有构件设计细节，并制定良好的施工文件。

在谈到结构方面的教育问题时，作者直率地指出现行教育思路上的不足，“建筑和工程的学生往往是通过学习基本构件及其有关的具体设计和施工要点来学习工程知识…….一个设计者的实际设计经验模式与学习技术知识的模式之间如此的不协调，将使学生难以在设计思路形成的阶段应用这些技术知识。“当然，他也提出了解决这一问题的方法。”建议对工程和建筑的学生道德一般教育方法应该是推论式进行的，从介绍结构开始，在考虑方案时，将房屋看成一个整体空间形式，然后讲那些基本知识作合乎逻辑的推敲。“

第二章．

这一章主要内容是通过一些基础的概念和公式，从宏观的整体的角度判断建筑的整体类型并计算建筑的受力情况。

把所给定的形式方案代表一个整体结构，按整个结构分析，确定它的总荷载和抵抗能力。建筑物的地面对建筑形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的。建筑物的竖向荷载包括恒载和活载，活载常常被转化为等效恒载，水平荷载则一般包括风荷载以及由于地震引起基础水平移动时产生的惯性等。水平荷载的合力H 一般并不

直接作用在支承体系上，它由水平抵抗剪力（-H），经过一段距离（a）传到，因此产

生了倾覆力矩（M=Ha ）。为了平衡这个倾覆力矩，恒载反力的合力（-W）必然与恒

载合力（W）之间形成偏心距（e）,使Ha=（-W）e。很明显对称建筑的偏心距是不能超过d/2 的，经常是控制在d/4 或d/6 以内。

通过总体悬臂作用抵抗倾覆，则建筑物支承体系上的合力（W ）必须与恒载合力

形成偏心。第三节引入了高宽比的概念。高宽比是建筑物总高和倾覆方向支承体系总宽度的比值。由于倾覆力臂 a 随h 而变化,而抗倾覆力臂随 d 而变化,因此倾覆力H 和它所要求的抵抗力偶V 的关系可由高宽比表示。V 与倾覆力矩成正比,而与支承体系的宽度成反比。

第四节作者讨论了建筑物的承载力和刚度问题。提出材料的数量（截面面积）和弹性模量都是轴向刚度的影响因素。把材料放在远离中和轴位置上的形状是有效的形状。当截面形状已经给定时,虽然有可能通过改变所采用的材料数量和种类增大它的刚度,但不能改善它的效能。

第三章．

第三章一上来提出结构设计的层次问题,将整体的设计分成几个主要的分体系, 同时强调各分体系相互之间的关系,以保证最终设计方案的整体性。这种研究方法反映了一种有机的建筑,即一个设计方案的总体构思应当对细部设计提出要求,而不是相反。

随后作者做出两种设想，帮助我们更好的理解建筑结构：（1）把建筑形式设想为实体结构；（2）把建筑形式设想为空间结构。通过第二章我们已经了解到，一个结构在水平荷载作用下抵抗变形的能力，主要是取决于它的截面形状和沿力作用方向的房屋宽度，材料强度是次要的。这一章里作者进一步进行讨论，提出了薄片分体系的模型。最后，作者归纳为：只有当薄片分体系具有以下三种基本作用时，实体建筑形式才可以采用整体性假定。 1. 竖向荷载可以从一个薄片轴向传至另一个薄片，并最终传至基础。 2. 水平荷载可以通过薄片间的抗剪传至基础。 3. 薄片之间可以传递一对轴向拉、压的抗倾覆力偶。在建筑形式看作空间结构的讨论中，作者指出一定要把空间结构做成在荷载作用下能保持其整体形状（也是保持截面形

状）。显而易见的，在材料相等的情况下，空间结构的刚性要比实体结构大得多。如果在一个封闭矩形筒的顶端任意位置上作用一个集中水平荷载，水平荷载可以在筒体总变形或局部变形都很小的情况下传到基础。由于水平分体系和竖向分体系都很薄，这样的空间结构是非常有效的。

在水平荷载作用下，空间结构整体性的基本要求可以概括为： 1. 要求水平分体系承受水平荷载，并把荷载传至竖向分体系，且能保持其截面的几何形状 2. 要求竖向分体系将恒载及水平剪力传至基础 3. 竖向分体系必须联系在一起，以便获得更好的抗弯和抗压屈能力。沿高度分布的隔板不只是承受水平荷载，它们把竖向分体系联系在一起，还能起到防止竖向分体系局部压屈的作用。由于减小了竖向分体系的局部弯曲长度，可以提高其总承载能力。设置了水平分体系，就使得由非常薄的墙组成的空间筒体能够承受任意高度上施加的水平荷载，而不发生明显的局部弯曲变形。与此同时，要注意的是竖向分体系的厚度主要取决于水平分体系之间的距离，而与建筑讹总高度关系不大。这一节简明地说明了封闭的竖向和水平平板之间是怎么样传递荷载和弯矩的。

讨论到柱式结构，由于柱子的抗弯能力比较小，在水平荷载下会引起较大变形。与此同时，不能通过加设铰接的水平分体系改善过大的变形，因为铰接水平分体系虽然能使各柱共同变形，但对每根独立悬臂柱的弯曲刚度毫无影响。反之，如果水平体系与柱子是固接，它们之间有转动的相互约束而改善整体效能。在这种约束下柱在弯曲的过程中形成反弯点，使每根柱好像两根短柱那样，反弯点的位置决定了短柱的相对长度，其结果是减小了水平荷载作用下的变形，还改善了轴向荷载作用下抗压屈能力。对于框架而言，它的轴力弯矩大小以及总变形量在很大程度上取决于柱子抗弯作用在总弯矩中所承担的比例。同时，对于已知力矩，柱子的轴向力大小与高宽比是成正比的。在真正的框架中，框架作用程度主要由梁柱刚度比决定。如果单柱刚度比梁刚度大，则大部分倾覆力矩将由每个柱的抗弯作用承担。可以用三种方法改善双列柱框架结构分体系的整体刚度，并且提高它的承载力： 1. 在双列柱框架内加设内柱； 2. 增

大该双列柱截面在弯曲作用平面内的高度； 3. 加设更多的或更刚的水平梁，以加大整个框架的竖向刚度。通过加设内柱增加基本双列杜框架的刚度，可有下述两个好处: 1. 由于成对柱之间距离减小，水平梁刚度增加，也就加强了整体框架作用。 2. 每个柱承

受的水平荷载较小，弯矩也较小，因此总的变形将减小。第二个改善基本双列柱框架 整体刚度的方法就是简单地加大受力平面内柱截面高度。

第四章.

本章的目的是要阐明怎样利用整体方法按设计阶段进行结构体系设计的问题。 这可以使设

计者集中解决空间形式方案中较为基本的结构问题，而不至于过早地纠缠 在一些细节问题上。这也可以使设计者保证结构整体构思与空间形式构思之间的协调， 使结构总体系方案成为结构分体系的相互关系、具体设计等更加局部的问题的基础。

建筑物结构设计的整体方法要求重视利用大空间分隔的、围护结构的以及各种设 备单元的

部件来作为基本结构分体系的可能性 ；应该着眼于把外墙、内墙、屋盖、楼盖 等部件的使用功能确定为既是空间分隔的部件，又是结构分体系。基本的整体方法应 该是将一个复杂的空间形式划分成若干半独立形式的比较简单的组成部分。

第五章.

在设计开始阶段，特别是还没有确切的资料时，很难确切估计荷载的大小。但是 为了能开

始着手方案设计，还是有可能作出一些不致造成严重误差的合理假设。本章 主要是介绍一些估算荷载的思路和方法以及由此产生的结构反应。

第二节提出一些通常情况下的几种常见结构的恒载值，虽然并不准确，但是在初 步估算的

过程中还是能带来不小的方便。至于活荷载，由于建筑物楼面上的实际活荷 载随着时间以及不同的使用类型会有很大的变化，所以这给确定活荷载值带来困难。 如果已经知道建筑物实际的或可能的使用类型时，就可以定出一个平均设计活荷载。 在应用时，如果荷载分布面积比较大，这个平均设计荷载就可以作为基本活荷载。与 此同时，我们也应该注意到，尽管在建筑规范中对活荷载取值作了规定，但是，不应 当盲目地把它们当成绝对止确的东西来使用。

风荷载主要取决于风速、该表面的坡度、表面的形状以及其它结构对风的限挡作 用。空气

的密度(随高度及温度而减小)和表面的纹理也有较小的影响。在其它各个因 素不变的情况下，风压值与风速的平方以及空气的密度成正比 ：P=C*D=C(1/2*V2D)。

关于地震作用，书上提出的两个基本目标与国内的思路基本是一致的，也就是

“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 用等效静力荷载作为地震荷载，即能在合理的

而不过高的造价内达到这个目标。如果具有足够的延性，即使建筑物发生严重破坏。 仍能避免倒塌。因此，除了地震作用的设计计算外，还应充分考虑建筑物所应具备的 延性和塑性。地震期间结构的地震作用是由于体系的质量受到地面加速度而产生的内 惯性作用。实际的地震作用取决于下面的因素 ：1.地面运动的强度和特征，强度和特征

取决于震源及其向建筑物的传播。 2.建筑物的动力特征，即振型、自振周期和阻尼。

3. 建筑物的整体质量或构件质量。建筑物设计的最小水平地震作用为

0.05h T =-

D 由于建筑物的不同部位的暴露环境不同，他们的反应也各不相同，因此结构内部 和外部的

伸缩变形会引起建筑物尺寸的变化。为了把这种应变和应力减到最小，必须

采取多种措施，或是便于建筑物的不均匀变形，或是加强各个部分并把各个部分连结 在一起，V=ZKCW C = 0.05

?T

以抵抗变形和由此产生的应力。一种常用的方法就是设置伸缩缝和施工缝，特别是沿建筑物的屋顶和外墙设置。一般来说每个区段的长度不超过20。英尺(film) ，但有时允许到30。英尺(91. 5m)或更长。以往，每15n英尺(46m)或更少些就设置一道伸缩缝。为了防止建筑物变形，应当将刚度大的墙和柱设置在建筑物中心附近，而不应设在边角部位。沿建筑物的外边缘，竖向构件在它可能的变形方向上应当是比较柔的。

就整体结构而言，风荷载或地震在水平方向的作用，比起恒载和活荷载的作用可能要严重得多。在考虑风荷载或地震作用时，容许应力可以提高三分之一。总体来说，在正常的设计荷载组合作用下，结构为线性弹性反应; 同时，在灾难性地震作用下，结

构应具有足够的延性吸收能量，保证结构不致发生倒塌。

最新的建筑规范已经将“容许应力”法改为‘'荷载系数”法，即所谓“极限承载能力”设计。规范规定的荷载必须乘以一个系数，使之相当于结构的极限荷载。例如。荷载系数

1.7，表明有70% 的安全储备抵抗破坏。事实上，所有的结构构件都以相当复杂的方式共同工作，而不是脱离总体系而孤立的单独构件。所以我们还是很难计算作为空间结构的建筑物的真正的承载能力。

由于对有些部分理解尚不完全，因此本篇读书报告暂写到此。其实这本书看一遍两遍实在不足以深入理解，必须坚持不懈地读下去，结合新学习的知识不断温习才能有所领悟。不过有些基础的概念以及实用的理论还是能让人立刻感到受益匪浅。总之，这篇读书报告只是随笔，并不是我读这本书的目的，我的目的是理解它消化它，我会继续努力。

《感知结构概念》

《感知结构概念》是由季天健先生所编写，它的目的是通过形象、易懂的方式帮助学生理解抽象的结构概念，通过对工程实例中的结构概念辨析帮助学生沟通理论与实践环节。这本书比较详细的从静力学和动力学讲解结构概念设计，将其中的公式，数字，图表，定义与生活中常见的力学现象联系起来。形象生动而又有严谨的思路和理论讲解。他有这样的三个特点：1,迅速复习许多结构概念。2，通过实际例子检验

每个概念在工程应用中的实际情况。3，增强概念的应用和对结构性能的理解。

看过这本书后，我确实觉得很多地方非常熟悉。经历过大学毕业后的两个月，由于没有坚持温习功课，所以有很多之前掌握的比较好的结构知识慢慢变得生疏了。这个时候这本书对我来说就特别合适。它结合大量生动的例子形象地讲解了结构设计方面的重要概念，能够让我们迅速回忆起相关知识。同时，它又专业深刻，由浅入深，加强我们对结构概念的理解。它是所有结构专业的学生都应该读的一本好书。

这本书一开始就提出了一系列定义与概念，有些是我们之前已经了解过的，但是有些对我们来说是新概念，比如两种平衡状态，稳定平衡：如果物体在微小扰动作用下

势能增加，而扰动撤除后又会回到初始平衡位置，则称物体处于稳定平衡状态。不稳定平衡:如果物体在微小扰动作用后偏离初始平衡位置，则称其处于不稳定平衡状态。作者举出的板-瓶系统非常形象恰当。为什么这个系统可以在仅有木板短边支承的情况下保持稳定呢？这是因为：1）木板与酒瓶的重量等于桌子提供的支反力大小。2）两个作用力（即板的重量与瓶的重量）关于支承点的力矩之和为零。换一种说法，这是因为板一瓶组合系统的重心恰好位于木板支座的上方。

当物体的尺寸相对于地球足够小时，物体的重心与质心重合。当物体的密度分布均匀时，其质心与形心重合。如果一个物体的质心没有位于其支承区城的上方，该物体就会发生倾倒。物体的质心越低，物体越稳定。物体重心G的坐标可由如下方程求得：??= ^x dW?? Z x dW??= ^z dW

/dW …/dW …/dW

面积二阶矩：是构件横截面的一种几何属性，与截面的大小和面积分布有关。有时被错误

地称为惯性矩。截面关于二?轴和y轴的面积二阶矩可通过以下的积分式求得：2

I x= /y dA, I y= /x2Da

对于承受均布荷载作用的等截面梁，其挠度，、转角口、弯矩M、剪力V和分布

荷载q之间的关系为：$ = ? ??翕=-M ????3 = - V ???詈=q方程1表明。梁的挠度函数，可由弯矩函数M对坐标二的二次积分得到。方程2表明，梁的挠度函数。可由分布荷载函数q对坐标：的四次积分得到。积分时，积分常数可由梁的边界条件唯一确定。

根据结构基本理论，承受均布荷载的单跨梁的跨度L、挠度A、刚度Ks,和固有频

率3之间具有如下概念性关系：A= K1 = C2L43=C3 K s = L4。

增大刚度K s可通过减小S=i N f e j来实现，这个求和式中的各项特点可概述为：（1）e i>0 o （2）N i可以为零。（3）N2 >0,无论杆件受拉还是受压。因此，为了使

S=1 N2e i尽可能小，可得出三个与内力有关的概念性结论：（1）使尽可能多的杆件内

力为零。（2）任意一个杆件的内力都不应该显著大于其他非零内力杆件。（3）所有非零内力杆件的内力都应该尽可能的小。

如果在承受某一特定荷载的结构中有许多杆件的内力为零，则荷载不通过这些杆

件而被传递到支座，即荷载会沿着较短或较直接的传力路径到达支座。这说明：较短或较直接的从荷载到支座的传力路径会导致一个刚度较大的铰接结构。与此同时，内力传递路径越直接，结构刚度越大。内力分布越均匀，结构刚度越大。内力越小，结构刚度越大。这三个概念具有普遍性，至少适用于梁系和杆系结构。

支撑体系的作用是保持结构稳定、传递荷载和提高结构侧向刚度。由此可推出关

于支撑体系的五项准则：（1 ）由结构基础到顶部，每层都应设置支撑杆件。（2）不同层间的支撑杆件应直接连接。（3）支撑杆件应尽量以直线形式连接。（4）顶层和其相邻跨间的支撑杆件应尽量直接连接。（5）如果需要增加额外的支撑杆件，应按以

上四条准则布置。

要减小结构内力或提高结构刚度可采取以下措施：（1）为结构提供顺外的支撑。（2 ）减小结构跨度。（3）在内力传递到结构基础之前，使内力形成自平衡体系。通过在结构中适当添加杆件，使部分待载或内力在被传递至基础前得以互相抵消或平衡。这会使结构的内力减小，刚度增大。增大杆件截面尺寸可以有效降低杆件的应力水平，但不能降低杆件的内力，而且会增加材料用量，导致结构自重增加。减小跨度是降低结构内力、增加结构刚度的一个非常有效的方法，但在许多情况下这种方法是不可行的。如果通过引入新的杆件能够使部分结构内力得到平衡，就可以实现减小结构内力、提高结构刚度的目标。

关于屈曲，很明显，受压短柱与细长柱的破坏模式是不同的。短柱的破坏主要与材料受压屈服强度和柱截面面积有关，而与材料的弹性模量、柱的长度和截面形状无关。细长柱的破坏主要与柱的长度、材料弹性模量、柱截面的面积及形状有关，而与材料屈服强度无关。通过计算可以证明，两端固定柱的临界荷载值是两端铰支柱的4倍，而两端铰支柱的临界荷载值是悬臂柱的4倍。当作用在柱顶端的集中力接近其临

界荷载值时，柱的有效刚度趋于零。

梁的主要功能是通过弯曲来承受竖向荷载的作用，其在竖直平面内的变形随荷载增加而不断增大，直至跨中截面因完全进入塑性而破坏。这仅在梁侧向受到约束或者无侧向位移时才成立。如果没有侧向约束，在荷载的作用下梁先在垂直于中性轴的竖直平面内产生弯曲变形，随着荷载不断增大，梁会突然产生侧向弯扭变形，而此时梁尚未完全进人塑性状态。这种失效模式称为梁的侧向弯扭屈曲，即梁的破坏是由其侧向弯扭变形引起的。梁的临界弯矩与其截面高度以及宽度的三次方成正比，而与梁的跨度成反比。因此要增大临界弯矩，增加梁的宽度要比增加其高度更有效。对于工字形截面梁，受扭时翼缘会产生轴向变形，这种变形称为翘曲变形。此时，作用在梁上的扭矩会受到纯扭状态下的剪应力和翘曲状态下的轴向应力的共同抵抗作用。也就是说，由于考虑了翘曲作用，构件的抗扭能力得到增强，相应的临界弯矩值也提高了。