土木工程外文翻译译文

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济南大学毕业设计外文资料翻译

IASS 座谈会，名古屋2001，125(7):2132-2342。

关于一些近期的轻质结构探讨

Jorg Schlaich

Schlaich Bergermann und Partner，顾问工程师，斯图加特，德国

摘要

轻质结构是生态的，社会的，文化的。它们挑战着工程师的知识和经验并且回报给他工程的乐趣。在总结了一些著名的原则设计之后，作者将在文章中介绍一些自己经历过的近期的几项工程。

1.介绍

任何一个注入智慧与责任的结构设计都会立志做到“越轻越好”，结构的功能是去承担“活荷载”。结构本身的恒荷载是一个不可避免的麻烦。一个结构的恒荷载与其所承担的活荷载的比值越小，结构就会越轻。

我们知道一个节点缆索悬索桥会明显的轻于焊杆桁架桥更会轻于混凝土箱梁桥。因此这会让我们产生一个疑问为什么仅有那么少的悬索桥被修建并且都是大跨度的情况，直觉会告诉我们对于轻质的要求不是设计结构的唯一标准。

确实，自然荷载是轻质结构的敌人。这些结构要适应雪荷载和温度变化荷载下的严重变形，结构对于风带来的颤动很敏感，它们会出现裂缝(塔科马结构工程师的心理创伤)，但是他们在地震作用方面做的很出色。轻质结构的另一个可怕的敌人是今天雇佣劳动力的昂贵和自然资源轻率使用。这些都提升了应用轻质结构的阻力。

但是在我们讨论如何设计轻质结构之前我们需要问问我们自己是否轻质结构当前值得我们努力去改善和发展。

2.为什么会有轻质结构

从生态的，社会的和文化的观点出发，轻质结构从没有像今天这样有必要应用并且符合时代的要求。

从生态学的观点来看，轻质结构是有效利用材料的，因为材料的强度得到了最好的应用，因此资源没有被浪费。轻质结构可以经常的被分解并且它们的元素可以被循环使用，轻质结构减小了熵，因此能够更加有效的满足可持续发展的要求。

从社会学的观点来看，轻质结构可以创造更多的工作，因为精细结构的设计要求密集的劳动力在细节方面精心的设计并且在准备期和加工期花费大量的支出。脑力劳动代替了体力劳动，现在时间和技术取代了挤压式的工作，工程的乐趣代替的繁重的工作。但是只要我们的现代经济要求按劳取酬，我们就仅仅是为开采原始资源的花费付了款，而并没有全面的考虑额外费用，在同一种功能上，轻质结构可能比大体积结构更贵。因此轻质结构可能都是应用于领导者的空间。众所周知只有银行，保险公司和一些博物馆可以负担得起轻质结构，可是没有乡下的居民或者普通的工业建筑会使用这种结构。并且结构师和建筑师都沉溺于在优秀人才中显示自己(一个轻质结构先锋者精神的刻薄的对照:Buckminster Fuller，Vladimir Suchov，Frei Otto)。他们继续推行这种结构表现并且甚至没有注意到他们身边98%的结构师都在渴求他们的注视，然而他们的关注确实也在很大程度上有悖于社会。作者知道他所谈论的东西并且知道自己站在了被批评的立场上。

从文化的观点来看，有原则性和有责任心修建的轻质结构可能对一个高贵的建筑做出了巨大的贡献。轻、做工精细、柔软会比重、大体积、坚硬更加给人以舒适感。

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经典的轻质结构力的分布是可见的并且会启发他们理解他们所看见的东西。因此轻质结构以她们的合理的美感可能会打动技术人员，施工人员和工程师的同情心。他们会帮助我们逃离今天广为流传的千篇一律的单调的并且有可能日后将再一次成为建筑文化最核心部分的结构工程模式。

3.轻质结构的原理

当设计轻质结构时我们首先不得不记住一个恒荷载最不利的的特征:一个在弯曲应力下的梁的厚度，为了支撑它本身，厚度就不仅仅是按照梁的跨度增加(这是通常被假定的)，而且是按照梁跨度的平方增加的。例如一个梁跨度10m，0.1m 厚，当跨度达到100m时它的厚度增加的就不是10倍而是10*10倍。因此这个梁不得不达到10m厚，随之它的总重量增加了1000倍。

尽管Galileo Galilei 已经了解了比例的重要性。为了说明这个他用一个小的轻的小鸟的骨头和一个相应的很厚重的恐龙的骨头做比较(图1)。这个告诉我们跨度的增长增加了结构的重量，因此我们要避免无用的大的跨度。

图1:Galilei的比例效应的示范

但是这种关于比例的自然规律可能被一些伎俩所规避，那么其次避免因素就是强调杆件的轴向压缩和拉伸有利于杆件的弯曲，也就是说对梁进行了分解。这基本上总是可能的正如桁架梁所表现的。绳和压杆使整个横截面均匀的受到削弱，没有

任何多余的。弯曲完全只让边缘的纤维受到应力而中心的大块的恒载也不得不被随着拖动。

这里绳索的拉伸显然比压杆的压缩表现的更为有利，因为只有材料坏掉绳索才会坏掉然而微弱的压杆失效是因为受到弯曲，即一个突然的侧向力。这个可以用一个长的竹竿简单的测试出来。我们不能徒手将它拉坏，但是如果我们去压它，它很快就会弯曲而坏掉。这些有效的拉伸变成了第三点被强调的因素甚至是更为有效的，即为增加拉伸强度β，减小材料密度γ，也就是说增加破坏长度β/γ。这个明确的价值代表一条线的长度能够达到其垂直的悬挂直到达到它屈服于它的自身静荷载。木头要比钢铁以及自然的和人工的纤维更为有效。

以上这三种针对轻质结构的方法已经引领我们进入了千头万绪的桥梁工程之中。我们承认(图片2，从上部开始)解散梁到桁架然后到主要靠压缩来承受荷载的拱结构(左)再到拱结构的倒置即有效的利用有利拉力的悬索结构。在底部是最边缘的结构，纯拱结构和位于两个岩石面上的悬索结构。后面这几个是没有用的，因为他们在荷载下面变形过大。但是在上面的和下面的结构之间的结构有很多不同的解决方法:拱和悬索被次梁和各种加固的绑扎所加强，板加强拱，支柱框架(左)和铁索桥和悬索桥等等(右)。在图2中越向下的结构越轻同时风震对其的影响也越大，同时这也代表着桥梁工程的挑战与吸引力。

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