第1章 梁和柱

要想跨越一段距离时，最简单的方法就是将粗棒状的物体横置于两个支点之间。这种方法，我们的祖先恐怕在几万年前就已经知道了。在他们的原始生活中被风刮倒的树木偶然横跨在小河上，被当作圆木桥使用。从而将此方法作为渡河和跨越山谷的手段。

横架（水平放置）于支点之间的棒状物称为梁。梁是现代建筑以及桥梁结构中应用最广泛的构件之一。

为了把梁架设在一定高度上，就要借助于柱子。柱子是将棒状物竖直放置用来支承荷重的一种构件。柱子与梁都具有悠久的历史，也是现代建筑结构中使用最为普遍的一种构件。

梁的理论及应用

梁是最简单的结构体系。但是，人们在很久以前并不能够全面细致地掌握梁的受力情况。有关梁强度的科学研究是在17世纪前半叶，由伽利略开始的。其后，经过了反复的尝试、发现问题，大约在19世纪中叶，才大致了解了梁内部的力和变形情况。关于这方面的研究，主要是以擅长数学的法国学者及技术人员为中心进行的，在其他地区，研究相对迟缓。特别是英国，尽管通过产业革命向世界展示了其先进工业的发展，在当时却没有能够直接运用梁的理论进行设计的技术人员和科学工作者。1843年，罗伯特·斯蒂文生（乔治·斯蒂文生的儿子）开始寻求在跨度为400m的美那依海峡上建造可通行列车的大桥，即大不列颠桥[ 图1.2（a）]。幸运的是，到19世纪前半叶为止，一直使用的脆性铸铁在结构领域基本不使用了。取而代之被广泛使用的是延性很好的锻铁板，这在蒸汽装置的高压锅炉等中也是不可缺少的。斯蒂文生在得到熟知锻铁性质的造船工程师菲尔贝尔和材料力学专家荷吉金森的帮助后，开始了这座铁路桥的设计与研究。最初斯蒂文生考虑将此桥设计成索链桥（悬索桥的一种，参照94页），桥的重量由索链承担，用恰好可嵌入列车的箱形梁（箱形截面的梁，参照截面图）来防止易引起晃动的悬索桥的变形。往返两道桥身独立结构并列放置在相同的桥台上。箱形梁的上下两面作为抵抗弯曲应力的翼缘（参照下一页之后的内容），并开始将此应用于当时的船体结构。制作出带有坚固隔板的双层结构，其侧壁作为抵抗剪力的腹板，采用角钢加固的铁板。材料全部采用锻铁板，连接处使用铆钉。

对于梁的性质，斯蒂文生和他的同伴们在没有充分掌握理论背景的情况下，制作了1/6缩尺的模型，采用实验为主的方法，逐渐积累设计所需的知识。根据一系列实验，得知此箱形梁的刚度要大于预想刚度，作为独立的结构能够用于铁路桥，于是终止了采用索链进行悬吊桥梁的初始计划。因那时桥塔已根据所设定的高度施工完成，所以桥塔的形状就保留了下来。因此，此桥的3座桥塔，在结构上被描述为“无用的高塔”，但幸运的是，在造型上还看不出不太自然。假如在塔顶从一对小窗口向其他桥塔眺望，试着想象连接桥塔的索链群飘浮在空中、描绘成抛物线形的曲线幻象，也是一种乐趣（参照第7章克里夫顿桥的形态）。大不列颠桥直到1970年发生火灾不能使用为止，120多年间一直作为铁道桥使用。

选文摘自《《建筑结构的奥秘——力的传递与形式》（清华大学出版社2012年6月第一版）