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“360度”解讀如何正確應用“結點”與“節點”

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近幾年,結構領域的部分網絡論壇對正確應用“結點”與“節點”這一問題也有些涉及,但還存在不少概念混淆、相互矛盾甚至錯誤之處,尚未看到較完整的或較有說服力的陳述和論證。為幫助廣大工程師正確應用“結點”與“節點”,浙江大學建筑工程學院陳水福教授專門對此進行研究、分析和對比、論證,并獲得了一些較為明確的、新的結論,希望對結構工程專業的規范用詞,特別是對相關概念的梳理和理解有所幫助。

主要從結構工程專業的常用或習慣表述、漢語的詞語本意以及與國外(英文)相關表述等三個方面解讀如何正確了解“結點”與“節點”內在或本質的區別和聯系,并且分析了容易引起混淆的原因。

1   結構專業的慣用表述

在我國高等學校普遍使用的結構力學教科書中,一般會首先討論桿件結構的力學模型或計算簡圖。在計算簡圖中,桿件之間的連接通常可簡化為兩種基本形式:鉸結點和剛結點。在對計算簡圖作內力分析時,如果截取結構中的一個鉸結點或剛結點進行分析,這種分析方法稱為結點法。在桿件結構的位移法計算中,基本未知量取為結點位移,而這里的結點可以是桿件連接點,即剛結點、鉸結點等,也可以是支座結點,如連續梁的中間支承點,或桿末端點、桿件截面突變點等。

在連續結構的有限元分析中,首先需要將連續體劃分為一系列離散單元的集合體,再對集合體中的各個單元定義有限數目的計算點,從而將無限自由度體系簡化為有限自由度體系,這些所定義的計算點就稱為“結點”。顯然,這里的結點很大一部分是虛擬的網格(或單元)劃分點,并不一定是結構內部的物理連接點,盡管在實際分析中,一般需要對結構的連接處、形狀突變處、轉角處等部位布置結點。因此,在結構有限元分析中,針對離散單元所定義的計算點,用的都是“結點”,而非“節點”。

下面再看實際工程結構(如混凝土結構、鋼結構)設計與分析時的慣用表述。在鋼筋混凝土結構、鋼結構的通用教科書,以及國家通行的《混凝土結構設計規范》、《鋼結構設計規范》中,會大量提到諸如梁柱連接節點、桁架節點、節點板、節點構造等術語。雖然這些教科書及規范一般都沒有直接給出關于“節點”的明確定義,但是從所涉及的討論對象可以推斷,其中所指的“節點”就是實際構件相互連接后對連接區域的一個統稱。

2   漢語的詞語本意分析

根據《現代漢語詞典》,“結”作動詞用的含義是“在條狀物上打疙瘩或用這種方式制成物品”;作名詞用時是“條狀物打成的疙瘩”,如繩子打個結,蝴蝶結等。顯然,這個“結”可以是具有某種功能的疙瘩,如“死結”、“活結”,也可以是并無明顯功能而只是做個記號的“結”。可見,漢語中“結”的本意是在原本為一個整體,或者并無明確分割特征的條狀物上打疙瘩或做記號,它與將幾個分離的東西連接起來并無直接關聯。

 

從“結”的本意可以推斷,工程中的“結點”可以認為是在已經連成整體的結構上所設置的特征點或標識點,它與結構原本是如何連接的,即連接的過程或細節并無直接關系。當然,對于桿件結構,在計算簡圖中桿件已簡化為軸線,而桿件連接點顯然是結構中最重要的特征點,故直接將其定義為“結點”也是適當的。

再看“節”的漢語本意。在《現代漢語詞典》中,與客觀事物描述相關的“節”的含義有兩條:一是“物體各段之間相連的地方”,如“關節”、“竹節”等;二是“用于分段的事物或文章”,如“兩節火車”、“第三章第八節”等。顯然,漢語本意的“節”都是物理或客觀存在的,而且有較明確的形狀或功能。

據此容易推斷,工程中的“節點”就是上述第一條含義在工程結構中的具體應用。也就是說,實際結構中的“節點”就是“結構各段之間相連的地方”。這也進一步驗證,“節點”中的點只是一個習慣稱法,并不一定是真正的“點”,而是一個“地方”,是區域或部位。

由此可見,“結點”與“節點”的概念和用途是有本質區別的。“結點”是一個力學概念,是在力學模型上根據分析需要所設置的標識點或計算點;而“節點”是一個物理概念,是對實際結構中一個“節段”與另一個“節段”物理連接區的統稱。

3   與英文表述的對比

英語中與“結點”、“節點”、“連接”等對應的詞匯有“joint”、“node”、“connection”等。那么,它們之間有什么區別和聯系呢?我們可以從一些經典英文原版教科書及英語詞典中得到較為明確的答案。

例如,美國學者R. C. Hibbeler在其撰寫的《Structural Analysis》一書中,在講到位移法分析的自由度概念時提到:“When a structure is loaded, specified points on it, called nodes, will undergo displacements.”在如何確定結構的自由度數目時又提到:“To determine the number of degrees of freedom we can imagine the structure to consist of a series of members connected to nodes, which are usually located at joints, supports, at the ends of a member, or where the members have a sudden change in cross section.”

可見,專業英語中的“node”與“joint”還是有明顯區別的。“node”主要用于結構分析時對計算簡圖中的計算點或特征點進行標識,它可以是不同構件的連接點(joint),也可以是支承點、桿端點或其他需要計算的特征點(如截面突變處)。與漢語表述作對比,這里的“node”和漢語中的“結點”很接近,而“joint”和“節點”基本對應。

 

根據《牛津高階英漢雙語詞典》,“node”作為技術術語時可表示“a point at which two lines or systems meet or cross”。可見,“node”僅表示“相遇”或“相交”、“交叉”,并不一定“相連”,即其本身沒有“連接”或“聯結”的含義。但正如前面所述,在漢語中,結構計算簡圖上的桿件連接點也可直接稱為“結點”,而此時英文中的對應詞匯一般仍用“joint”而非“node”。例如桁架計算中的“結點法”,在英文中的對應表述為“method of joints”,一般不用“method of nodes”。

再看美國學者L. Spiegel G. F. Limbrunner所著的《Applied structural steel design》一書中,在講到鋼結構構件的連接時提到:“It is generally agreed among designers that the design of the basic structural members is simple in comparison with the design of the connections between those members. The most common types of structural steel connections currently being used are bolted connections and welded connections.”在講到焊縫連接的類型時又提到:“In any given welded structure, the adjoining members may be situated with respect to each other in several ways. These joints may be categorized as butt, tee, corner, lap, and edge.

從該書的表述中容易看出,“connection”表示實際構件(如鋼構件、鋼筋混凝土構件)的相互連接,當然也可用來表示連接部位,例如一個梁柱連接的構造圖可標注為“Beam to column connection”,一個連接的詳圖可標為“Connection detail”;而“joint”與漢語中的“節點”類似,是對連接部位的一個統稱。

在經典的英文有限元分析教材中,單元的計算點一般稱為“node”或“nodal point”,當然也可稱為“grid point”(網格點),而結點位移、結點荷載就表述為“nodal displacement”、“nodal load”。因此有限元分析中,與“結點”對應的名詞和形容詞一般用“node”和“nodal”,而基本未見用其他表述。

4   結論

1)“結點”是一個力學概念,是在結構的簡化力學模型上根據分析需要所設置的特征點或計算點,它可以是構件的連接點,也可以是構件的支承點、末端點或者人為的網格劃分點、自由度布置點等;此時“結點”對應于英文中的“node”或“nodal point”。結構計算簡圖中的桿件連接點一般也可直接稱為“結點”,此時對應于“joint”。

2)“節點”是一個物理概念,是對實際結構中一個“節段”與另一個“節段”的物理連接區的統稱,如混凝土結構中的梁柱節點、鋼結構中的焊接節點等。節點有其具體形狀或功能,需要連接構造或節點詳圖。“節點”在英文中一般用“joint”或直接用“connection”表述。

3)結構分析中,在簡化的計算模型上與物理“節點”對應的部位一般都要布置“結點”,或者說“節點”在計算簡圖中是一種自然的“結點”,故兩者的使用范圍存在較大重疊。

4)“結點”與“節點”的概念和用途是有本質區別的,在英文中因詞匯不同,不易混淆;但在漢語中,因兩者讀音完全相同,且使用范圍存在重疊,故很容易混淆。

更多詳細情況請查看201311月《建筑結構·技術通訊》。(配圖來源:第1-《蘇州火車站站房鋼結構復雜節點設計研究》(《建筑結構》20121期,第2,3-網絡))

作者: 來源: 發布時間:2013年12月05日
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