第二十课结构设计

结构设计是选择材料和构件类型，大小和形状以安全有用的样式承担荷载。一般说来，结构设计暗指结构物如建筑物和桥或是可移动但有刚性外壳如船体和飞机框架的工厂稳定性。设计的移动时彼此相连的设备（连接件），一般被安排在机械设计领域。

结构设计包含至少5个不同方面的工作：工程要求，材料，结构方案，分析和设计。对于不一般的结构或材料，又包含一个方面：试验。这些方面不是严格按步骤进行，因为不同材料在不同方案大多数是有效的，试验会导致设计变更，最终设计由初步估计设计开始，然后经过分析和再设计几个循环后完成。通常，可替代的设计证明在费用，强度和使用性上十分接近。结构工程师，业主或最后住户基于其它的考虑选择一种。

工程要求。在开始设计前，结构工程师必须决定容易接受的执行标准。必须提供承担的荷载或力。对于一些专门结构，当支持一台已知载重的机器或起重机时，这可能直接给出，对于普通建筑物，采用市政，县，州的建筑规范，提供了设计所需活载（人群荷载和设备，屋顶雪荷载，等等）的最小值。工程师将计算出设计期间的恒载（结构和已知永久性设备）。

对要正常使用的结构，也必须控制其挠度，因为安全的结构可能会存在令人不安的振动。机器的支座有严格的变形限制，因为梁下沉会导致驱动轴弯曲，烧毁，部件错位和上面的吊车熄火。挠度限制在跨度/1000 (梁长的1/1000）以下是很普通的。在传统建筑里，支持板的梁挠度限制在跨度1/360以避免粉刷开裂或跨度1/240以避免人的担忧（保持在可感知的变动范围内）。梁的刚度也影响板“振动”，如果不能控制会令人很头疼。另外，高层建筑的侧面变形，位移或摇摆通常限定在高度/500（建筑物高度的1/500）里，把在有风的日子里上面楼层的人移动的不舒服降到最小。构件尺寸在结构设计里起主要作用。例如，由于下面留作水上交通的净空不够或过高威胁到飞机的特定类型的桥是不可接受的。在建筑设计里，天花板高度和楼板之间高度影响楼板框架的选择。墙厚和柱子尺寸和跨度也影响不同框架方案的适用性。

选择材料。技术的进步创造了许多新材料，如碳纤维加强复合材料和硼纤维加强复合材料，它们都具有极好的强度，刚度和强度重量比特性。然而，由于费用高和非通常的制造要求，它们仅用在有限特殊领域。强化玻璃合成物如玻璃纤维是很普遍，但被限制应用在小荷载情况下。用在结构设计上的主要材料更多是普通的，包括钢材，铝，钢筋混凝土，木材，砌体。

结构方案。在一个实际方案里，结构构件承担很多力，包括拉，压，弯，剪和扭。然而所选择的方案将会影响这些力产生的概率，也会影响材料选择过程。

抗拉是有效的承担荷载的方法，整个构件的横截面性能得到发挥，并且不涉及到弯曲变形。任何抗拉方案必须也对抗拉构件的锚固。例如，在悬索桥里，锚固体通常是位于主要绳索尾段的强大自重。为了避免在荷载移动或变形时有不期望的几何变形，抗拉方案通常要求是刚性梁和桁架。