土木工程结构体系中最基本的受力单元。古代，随着人们对天然材料性能的逐步理解和掌握，形成了最基本的土木工程构件梁、板、柱、拱等。这些构件根据其形式及受力的不同，又可分为受弯构件、拉压构件、压弯构件、受扭构件。这些构件组成了形形色色的建筑结构。

受弯构件可分为板构件与梁构件。

板构件的应用有着悠久的历史。古代由于房舍或工地宿舍建筑比较简陋，不用土墙隔离房间，而改用薄壁木版，这样即省材省工，又费用低廉，但是隔音效果比较差，只能将就使用。睡铺的构造是：薄木板的两边各安置一个床位，两个枕头位于木版的一侧。这样就变成了“镜面对称”。这种形成“镜面对称”的木版就叫“板”。板按平面形式可分为方形板、矩形板、圆形板及三角形板，用于建筑工程中的板有楼板、屋面板、基础板、墙板等。通常水平放置，但有时也斜向设置或竖向设置。按所用材料可分为木板、钢板、钢筋混凝土板、预应力板等。按受力形式，又可分为单向板和双向板。

单向板指板上的荷载，沿一个方向传递到支承构件上的板，双向板指板上的荷载沿两个方向传递到支承构件上的板。当矩形板为两边支承时，为单向板；当有四边支承时，板上的荷载沿双向传递到四边，则为双向板（图1）。

图1　单向板与双向板

然而，当板的长边比短边长很多时，板上的荷载主要沿短边方向传递到支承构件上，而沿长边方向传递的荷载很少，可以忽略不计。这样的四边支承板仍认定为单向板。根据理论分析，当四边支承板的长边l2与短边l1之比l2/l1>2时，为单向板，l2/l1≤2时，为双向板，介于两者之间按双向板考虑。

板的发明，最早可以上溯到公元前3000年。公元前1世纪初，罗马人已熟知单板制造技术与胶合板制造原理。19世纪初，法国人发明了单板锯切机；1834年，法国又颁布了刨切机专利。1844年以后，经过改进的旋切机在工业生产中正式使用。此后旋切机不断改进，促进了胶合板工业的发展，19世纪中叶，德国首先建立了胶合板厂。1898年英国首先在圆网造纸机上制造成半硬质纤维板。到了20世纪，美国用磨木浆下脚料生产绝缘板，并建成绝缘纤维板工厂。1916年，干法成型工艺首次在奥地利出现。1924年美国创造了马松奈脱法（爆破法）纤维分离技术，1928年已能生产出高质量的硬质纤维板。1931年瑞典发明阿斯普伦德法，次年在瑞典建立了第一个用此法生产的硬质纤维板厂，至此纤维板制造工业就脱离了造纸业而成为独立的工业门类。1943年美国研究干法和半干法制造工艺获得成功，50年代初，在美国、联邦德国、捷克斯洛伐克和奥地利分别建厂，用上述两法生产硬质纤维板。60年代初，以干法生产工艺为基础制成中密度纤维板，1966年美国建成第一个中密度纤维板厂。

中国板的制造的发展始于20世纪20年代初。刨花板在1949年前仅有水泥木丝板，1952年开始生产蛋白胶刨花板，1956年才出现树脂胶刨花板，1958年开始试制纤维板，60年代初在北京、上海建立湿法纤维板厂，70年代初建成干法和软质纤维板生产线，1980年开始生产中密度纤维板。现在全部人造板生产能力已超过8000万立方米。

梁是工程结构中的重要组成构件，其受力形式主要以受弯为主。梁的截面高度通常大于截面的宽度，其截面高度与跨度之比一般在1/8到1/16之间，当高跨比大于1/4的梁称为深梁。因工程需要，梁宽大于梁高时，称为扁梁，梁的高度沿梁纵轴线变化时，称为变截面梁。通常水平放置，但有时也斜向设置以满足使用要求，如楼梯梁。梁的截面形式多种多样，常见有矩型、T型、工型、箱型等。

按材料又可分为钢梁、钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁、钢混组合梁等，按支承形式又可分为简支梁、连续梁、悬臂梁等。

梁的概念形成很早。中国在春秋战国时期的文章中就有梁的概念。《国语》上说：“造桥为梁。”人类有记载的桥梁据说是公元前18世纪在巴比伦建造的一座拱桥。可以想象，用木头搭的简单的桥还会更早。梁构件广泛运用于桥、建筑等各类结构中，中国古代建筑以梁柱式结构体系为主，由立柱、横梁及顺檩等主要构件组成。各构件之间的结点用榫卯相结合，构成了富有弹性的框架。经过历史学家考证，已知的这种榫卯结合的形式最早在浙江余姚河姆渡原始社会建筑就开始运用，表明它在距今7千多年前就已经形成了。中国古代木结构，主要有三种形式。

一是井干式，即是以圆木或方木四边重叠结构如井字形。这是一种最原始而简单的结构，现在除山区林地之外，在城镇农村都难以见到了。

二是“穿斗式”，是用穿枋、柱子相穿通接斗而成。便于施工，抗震能力最强，但较难建成大型殿阁楼台，所以中国南方民居和较小的殿堂楼阁多采用这种形式。

三是“抬梁式”（也称为叠梁式），即在柱上抬梁，梁上安柱（短柱），柱上又抬梁的结构方式。这种结构方式的特点是可以使建筑物的面阔和进深加大，以满足扩大室内空间的要求，成了大型宫殿、坛庙、寺观、王府、宅第等豪华壮丽建筑物所采取的主要结构形式。有些建筑物还采用了抬梁与穿斗相结合的形式，更为灵活多样。

到了今天，由于材料的高速发展，早期的木梁、石梁已逐渐被淘汰，钢筋混凝土的出现使得梁构件得到了飞跃式的发展，随后钢材加工技术推动了梁的进一步发展。人们可以根据使用需要制造出不同材料、不同截面的梁，更进一步推动了建筑结构体系的发展。

拉压构件可分为二力杆和索。

受到两个力而平衡的构件称为二力构件，如果是直杆则称为二力杆（图2）。二力杆常见于桁架结构。二力杆约束与柔索约束不同，它不是单面约束。其材料早期以木材为主，今天则广泛采用钢材等金属材料。二力杆是最基本的力学构件，它是构成桁架结构的基本单元，应用历史极早。古罗马人最早将二力杆运用于桁架结构中，他们用桁架修建横跨多瑙河的特雷江桥的上部结构（发现于罗马的浮雕中）。

图2　二力杆受力示意图

索构件在结构上的应用大体可分为桥梁用索与建筑结构用索。早在公元前285年，中国就出现了悬挂竹索桥梁，公元前206年建造了铁链桥，1703年建造了由9根铁链悬挂的横跨大渡河的泸定桥。西方工业革命产生了由铁绞线和钢绞线等新型高强材料组成的索。1817年英国架成了一座跨径为34米的人行木质斜张桥，该桥的桥塔采用铸铁制造，拉索则采用了钢丝。1824年，法国建造，并且存在至今的横跨罗讷（Rhone）河谷的悬索桥就采用了连续的绞线索。到了20世纪，1940年建造的美国旧金山大桥，具有1280米的主跨。

索应用于房屋建筑结构的时间不长。1953年，美国北卡罗来纳州的罗利（Raleigh）大剧院是最早采用双曲预应力索网屋顶的建筑。这种新型建筑形式，大大冲击了传统的建筑设计思想和概念。随后，双曲索网结构如雨后春笋般的出现在了欧美、苏联和中国。其中比较有影响的建筑结构有1958年的美国耶鲁冰球场和1964年的东京国际奥林匹克体育馆。然而，当时的这些建筑物虽然形式吸引，但结构体系还是传统的，因为这些建筑采用的还是预制、现浇和悬挂的混凝土重屋面，索网主要依靠屋面重量保持形状的稳定性，抵抗风吸力和避免震颤。建筑索结构在中国的应用已有数十年历史，它得到了迅速的发展和大量的推广应用。尤其是21世纪，出现了大量全张拉建筑索结构。全张拉结构是指结构体系中主要受力单元均为只受拉的拉索，仅靠周边的刚性边界和少量压杆连接拉索。

在工程中，压弯构件常见的有柱、拱以及斜拉桥的主梁、桥塔等。

柱是工程结构中主要承受压力，有时也同时承受弯矩的竖向软件，其截面形状多种多样，常见的有圆形、方形、管形等。按材料分可分为石柱、砖柱、木柱、钢柱、钢筋混凝土柱等；按破坏形式和长细比又可分为长柱、短柱、中长柱；按受力形式可分为轴心受压柱和偏心受压柱（图3）。

图3　轴心受压构件与偏心受压构件

在古代的埃及人们利用石材建造神庙和陵墓，建筑的结构形式是梁柱体系。古希腊继承埃及的梁柱体系，同时由于地域文化的发展演变希腊人将梁柱发展成具有美的形式，出现古典的三柱式，以及女像柱。两者的形式不同但结构的核心是一致的以石材作为基本材料的梁柱体系。后来，罗马人在建筑形式上仍然沿用希腊的柱式，出现古罗马五柱式（罗马多立克柱式、罗马爱奥尼柱式、罗马科林斯柱式、托斯卡纳柱式、混合柱式），罗马的柱式已经没有了希腊柱式结构上的意义，柱式已经成为了壁柱。现代柱结构广泛运用于房屋、桥梁等各类结构中，其材料也由传统的石、砖发展为钢筋混凝土、钢等新型材料。

拱多为曲线形结构，多运用于桥梁中，即拱桥。拱主要承受轴向压力，可以利用抗拉性能较差而抗压性能较强的材料，如砖、石、混凝土等进行建造。按拱铰数可分为三铰拱、无铰拱、双铰拱、带拉杆双铰拱等（图4）。

图4　各类拱的形式

拱是一种建筑结构。简称拱，或券，又称券洞、法圈、法券。它除了竖向荷重时具有良好的承重特性外，还起着装饰美化的作用。拱之于古代西方建筑的作用就像斗拱之于中国建筑，都是两种体系中最精华的部分。古代东西方都无法造出宽大的平屋顶的原因就是没有找到可以支撑巨大平屋顶的结构体系或者材料。于是，古代中国人用梁柱框架加斗拱营造巨型大坡木屋顶。古代西方人用拱结构建造他们宏伟恒久的穹窿石屋顶。不同时期拱一直在发展演变，经历了从无到有、从简单到复杂，从粗拙到精巧的进化过程。亚平宁半岛的土著伊特鲁利亚人是最早发现拱劵原理的。他们很早就开始吸收希腊文化，具有高度发达的文明，但不久被罗马人征服。伊特鲁里亚居民有着从希腊和两河流域学来的，由很特殊的石头叠成的叠涩拱技术，从很大程度影响了后来的罗马。

到了18世纪，自从1824年波特兰水泥问世，1850年出现钢筋混凝土以来，作为重要的结构材料，在工程中得到广泛运用，产生了多种结构型式的钢筋混凝土拱桥，如克罗地亚的KRK桥，其拱券技术发展到今天，已经渗透到了日常建筑的各个部分，作为重要的承重结构，拱券还被广泛应用在大型公共建筑物之中，很多大跨度的建筑都离不开一个坚固可靠的拱券结构。1962年建成的同济大学大礼堂，被誉为当时同种形式的亚洲之最，人称“远东第一跨”，采用了净跨40米的拱形网架结构。

斜拉桥是一种由梁、塔、斜拉索组成的组合体系桥梁。其基本受力特点为：斜拉索为受拉构件，将主梁及活载等传给桥塔，桥塔基本以受压为主，而主梁像一条多点弹性支承的连续梁，同时由于斜拉索水平分力的作用，主梁截面的基本受力特征为偏心受压构件。斜拉桥的受力如图5、图6所示。

图5　斜拉桥受力模式的形象展示

a）对称布索斜拉桥受力；b）无背索斜拉桥受力图6　斜拉桥主梁压弯耦合受力示意图

斜拉索一端倾斜连接主梁，另一端倾斜连接主塔。通常情况下，斜拉桥主塔顺桥向两侧均有成对的斜拉索布置。这种对称布置方式使得主塔两侧都受到水平拉力，自重作用下相互会平衡。而拉索对主塔产生的竖向力并不会平衡，而是会相互叠加，最终形成竖直向下的压力，使得主塔以受压为主，汽车活载作用下，会产生压弯作用效应。有时为了造型美观，也采用无背索或者少背索的斜拉桥主塔，此时由于主塔单侧水平方向受力与压力叠加，形成压弯受力构件（图7）。

图7　斜拉桥主塔受力示意图

受扭构件在结构中常见的有弯桥主梁、雨篷梁。

随着社会的发展，直线桥往往不能满足人们的使用需求，在城市立交与高架桥梁中，曲线桥（也称弯桥）由此孕育而生。弯梁受力与直梁受力有很大区别。由于曲线梁桥的“弯扭耦合”作用，曲线梁在承受竖向弯曲的同时，由于曲率的影响（即曲线梁桥重心经常位于两端连线之外，从而产生扭矩），必然产生扭转，而这种扭转又将导致挠曲变形，这种弯曲与扭转的相互作用称为“弯扭耦合”作用。曲线桥主梁材料与直线桥主梁材料基本相同，多以钢筋混凝土、钢材为主。但为抵抗扭矩作用，主梁截面多以箱型截面为主（图8）。

图8　曲线桥梁的弯扭耦合受力

随着城市发展，雨棚逐渐出现在了城市的各个角落。雨篷梁作为雨棚的核心受力构件，其与雨蓬板形成整体，因而往往以弯扭耦合受力为主。雨篷梁兼作门过梁，承受着门过梁上砌体的重量，由于砌体的起拱作用，有1部分重量直接传给支座，而只有部分砌体重量作用在过梁上，由此可以计算出弯矩和剪力。雨篷梁上承担的较大的均布荷载和扭矩，扭矩的分布在梁两端支座处最大，在跨中最小。其受力如图9所示。

图9　雨篷梁及其扭转受力

综上所述，土木工程构件是组成结构的基本单元，利用力学原理对这些构件进行重新组合和性能提升，就形成了框架结构、剪力墙结构、筒体结构、网架结构、索结构、薄壳结构等具备不同性能的结构体系，正是这些结构体系，形成了适应不同材料特点、适应不同建造条件、满足不同需求的现代土木工程结构。