下列那一項結構系統的構材內力不屬三維力系？

本題考點

結構系統依「構材內力的作用方向與分量」分類。格子梁、構架、版的構材內力除了軸向分量，還有垂直於構材平面的剪力、雙向彎矩與扭矩，屬三維力系；薄殼則以曲面內的薄膜力傳遞載重，內力位於殼面切平面內，屬二維（平面）力系。

正解理由

判斷一個結構系統的內力是不是三維力系，要看構材斷面上需要幾個方向的力與力矩才能平衡外力。薄殼靠曲率把載重轉成沿殼面切線方向的軸向拉力、壓力與面內剪力，也就是所謂的薄膜力；《建築物混凝土結構設計規範》第 12.5.10 節在規範薄殼配筋時，即以「混凝土總斷面積上薄膜主拉應力」作為檢核對象，可見薄殼設計的主角是殼面內的薄膜應力，而不是垂直殼面的彎矩與剪力。殼面上任一點的內力只需在切平面內描述（兩個方向的正向力加一個面內剪力），屬平面力系。

反觀格子梁、構架與版，都需要垂直於構材平面的剪力與兩個方向的彎矩、扭矩共同作用，才能把載重傳到支承，屬三維力系。題目問「不屬三維力系」者，只有薄殼系統符合，故選 D。

逐項排除

1. (A)

   格子梁系統：正確地屬於三維力系，本項不是答案。格子梁是兩向（或多向）梁在同一平面內交叉剛接而成，載重垂直於格子平面作用；每根梁除了承受垂直於平面的剪力與繞平面內軸的彎矩，交叉點處另一向梁的彎曲會轉成本梁的扭矩。剪力、雙向彎矩與扭矩同時存在，內力分量跨出構材所在平面，屬三維力系。容易誤判的地方是「格子梁看起來是平的」，但判斷依據是內力分量，不是外形。

2. (B)

   構架系統：正確地屬於三維力系，本項不是答案。立體構架的梁柱在空間中剛接，構材斷面上同時有軸力、兩個方向的剪力、兩個方向的彎矩與扭矩，是最完整的空間內力狀態。注意這裡的「構架系統」是力學分類用語；《建築技術規則建築構造編》第 42 條第 1 項把「構架系統」定義為具承受垂直載重完整立體構架、以剪力牆或斜撐構架抵禦地震力的耐震結構系統，那是依抵抗地震力方式所做的分類，兩者標準不同，但「完整立體構架」本身就是空間受力，與三維力系的判斷並不衝突。

3. (C)

   版系統：正確地屬於三維力系，本項不是答案。版承受垂直於版面的載重，以雙向彎矩、扭矩與垂直版面的剪力把載重傳到梁、柱或牆；版面內的拉壓只是次要分量。內力需要垂直版面方向的力與兩個方向的力矩共同描述，屬三維力系。版與薄殼的差別在於：平版沒有曲率，無法把垂直載重轉成面內力，只能靠彎曲承載。

4. (D)

   薄殼系統：本項敘述與題意相符，是本題答案。薄殼厚度相對於跨度很小，抗彎能力有限，靠曲面幾何把載重轉成殼面切線方向的薄膜力；理想的薄膜狀態下，殼體內力只有面內的正向力與剪力，屬二維（平面）力系，因此「不屬三維力系」。僅在殼體與支承構材或邊緣構材交接處，因邊界拘束會出現局部彎矩，《建築物混凝土結構設計規範》第 12.5.11 節要求該處鋼筋錨定或延伸入支承構材，正是處理這個邊界擾動，並不改變殼體主體以薄膜力受力的性質。

記憶點