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梁 (結構)

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此條目介紹的是結構構件中的梁。關於建築構件中的梁，請見「樑」。
簡支靜定梁，在均布荷載下的彎曲變形

梁是主要承受和與其中心軸垂直之荷載的水平結構構件。其形變模式主要是彎曲變形。負載對梁施加的力會使得梁的支撐點有反作用力，反作用力和負載作用在梁上，會產生梁上的剪力以及彎矩，也會因而產生內部的應力、應變以及梁的形變。梁的特性包括其支撐的方式、截面形狀、平衡條件、長度以及材質。

梁傳統上用來描述建築或土木工程的結構元素，但在更小結構如卡車或汽車大梁，機器框架和其他機械或結構系統中所包含的梁，也可以用類似的結構力學方法來分析設計。

概述

梁主要用來承載垂直重力作用，但也可以承載水平方向作用力（如：地震或風）。梁將承受的荷載轉移至柱、牆或其他梁，後者再將荷載轉移至受壓構件。

類型

梁的承載能力主要有截面形式、長度和材料決定。當代建築中的梁，主要是鋼、鋼筋混凝土和木材。鋼梁最常見的形式是工字鋼（或者是指寬翼緣的H型鋼），通常被用於鋼結構房屋和橋梁中。其他常見的鋼梁形式：結構鋼（Structural steel）、空心截面結構、鋼管（英語：Pipe (material)）（常用於海洋石油平台，不易腐蝕）。

梁按照支承條件區分。不同的約束條件就會有不同的穩定狀態和變形。兩端鉸接的梁稱為簡支梁（Simply supported）；一端固定，一端自由的梁稱為懸臂梁；簡支梁外伸，越過支點，稱為外伸梁。

結構特性

轉動慣量

主條目：轉動慣量

物體關於給定軸的轉動慣量，表現為要使其繞軸發生角運動，需要多大的力矩。因而，影響轉動慣量的不只是物體的質量，還有物體離軸的距離。

簡單方梁（A）與工字鋼（B）的剛度圖比較。工字鋼的翼緣部分離軸的距離是方梁上下部分的3倍，因而轉動慣量是方梁的9倍（工字鋼腹板部分忽略不計）

梁中的應力

不同荷載作用時，梁的內部有拉、壓和剪切應力。通常，在重力作用下，梁發生向下的微小彎曲變形，因為梁上部受壓，下部受拉。在梁的中間，既不受拉也不受壓的部分稱為中性軸。在支點處，梁承受剪應力。 預應力混凝土梁中，混凝土始終承受壓應力； 高強度鋼筋先被拉長，然後澆築混凝土，當混凝土凝固，達到強度要求時，鋼筋的約束被釋放，混凝土受到巨大的壓應力，發生向上的變形；當外部荷載作用時，向上的變形與外部荷載向下的變形抵消，從而提高承載能力。預應力混凝土梁常用於大型橋梁。

梁結構分析的主要工具是歐拉方程。其他用來確定梁撓度的數學方法有虛功法和撓度斜坡法 工程師是在確定撓度感興趣，因為光束可 能與直接接觸，如脆性材料玻璃 。 梁撓度也最小化的審美原因。 一個明顯下垂的光束，即使結構安全，很不雅觀，要避免。 一個嚴厲的梁（高彈性模量和高面積二階矩 ）產生偏轉較少。工程師關心梁的撓度問題，因為梁可能與脆斷性材料，如玻璃，直接接觸。減小撓度還有審美上的原因。一個明顯下垂的梁，即使結構上安全，也很不雅觀，應該避免。

確定梁力（梁內力的力量施加在橫梁上的支持）的數學方法，包括彎矩分配法、撓度法（英語：Flexibility method）、直接剛度法（英語：Direct stiffness method）。

提高梁的剛度（彈性模量和截面二次軸距）可以減小撓度。

一般形狀

大多數鋼筋混凝土建築中的梁是矩形截面，但最有效的簡支梁截面是I形或H型（工字鋼與H型鋼）。

但I型只是一個方向彎曲時的最優截面。雙向彎曲梁的最優截面是箱型，而任意方向彎曲的最優截面是管型。

最優指的是相同橫截面積（單位材料量每米），相同荷載下，更少的變形

其他截面形式，如L型鋼，C型鋼用在特定的場合下。

參見

擴展閱讀

外部連結

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