搜索結(jié)構(gòu)工程的歷史發(fā)展【結(jié)構(gòu)工程是工程力學(xué)專業(yè)主要就業(yè)方向之一】
2017-08-23 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
結(jié)構(gòu)工程是人類文明的脊梁
目 錄
1. 以石、木、磚為主要建筑材料的時代
2. 混凝土的簡史
3. 鋼鐵材料
4. 彈性力學(xué)
5. 結(jié)構(gòu)力學(xué)
6. 有限元方法的產(chǎn)生與發(fā)展
7. 結(jié)構(gòu)抗震
8. 作用在結(jié)構(gòu)上的載荷
人類文明程度的一種標(biāo)志體現(xiàn)在各種結(jié)構(gòu)上,承受力而又有一定功能的物體都可以歸結(jié)為結(jié)構(gòu),如高樓、車、船、飛機(jī)、大橋、大壩、機(jī)床、望遠(yuǎn)鏡、精密儀表等都可看為特定的結(jié)構(gòu)。廣義地說,地殼、巖基、土層也可以看為結(jié)構(gòu)。人類愈進(jìn)步,結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜。
所謂建筑,一要實用、舒適、好看;二要安全、經(jīng)濟(jì)。
前一個任務(wù)是屬于建筑學(xué)要解決的問題。而后一類問題就是工程結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)力學(xué)要解決的問題。
結(jié)構(gòu)設(shè)計,包含結(jié)構(gòu)物本身的強(qiáng)度、剛度、動力及穩(wěn)定性分析。
目前結(jié)構(gòu)設(shè)計大部分工作量都開始由計算機(jī)承擔(dān),這就是計算結(jié)構(gòu)力學(xué)與結(jié)構(gòu)CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一方面是確定結(jié)構(gòu)所受的荷載。
還包括保持一定功能的優(yōu)化設(shè)計,新結(jié)構(gòu)形式的研究與結(jié)構(gòu)的加工與成形的研究。如果我們能在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中選用優(yōu)化的方法,節(jié)約1%的鋼材,它就相當(dāng)于建造一座年產(chǎn)百萬噸的鋼廠。
1、以石、木、磚為主要建筑材料的時代
無論是東方還是西方,在使用鋼、混凝土為主要建筑材料之前,時間最長的是以石、木、磚為建筑材料。
具體來說,西方多以石料作建筑材料,而我國和東方各國多以磚、木為建筑材料。
木結(jié)構(gòu)不耐火,所以我國存世古建筑歷史很長的不多。
早期的材料力學(xué)研究
達(dá)·芬奇在他的手稿中研究和討論了柱所能承受的載荷。
伽利略在他《關(guān)于兩種新學(xué)科的對話》(1638年)提到、考查了固定端懸臂梁的承載能力的問題。
馬略特作了伽利略所作的實驗,由于他們的截面上平衡條件都不對,所以結(jié)果的系數(shù)都不正確。
雅科比·伯努利(Jacob Bernoulli,1654-1705)關(guān)于梁的研究,這就是現(xiàn)今人們所稱的伯努利梁理論。
2、混凝土的簡史
1774年,英國工程師斯密頓(J.Smeaton)在建造海上燈塔時石灰。粘土、砂混合物砌基礎(chǔ),效果很好。
1824年英國石匠營造者亞斯普丁(J. Aspdim, 1779-1885)取得了燒制水泥的專利,因其與波特蘭地方的石材很相近,所以稱為波特蘭水泥。
法國1840、德國1855設(shè)水泥廠。
1970年世界每人每年使用水泥156公斤。
3. 鋼鐵材料
19世紀(jì)中葉之后,煉鋼技術(shù)得到普及于是在結(jié)構(gòu)上普遍采用鋼鐵。1859年英國建成第一艘鋼船。
1873年英國倫敦建成跨泰晤士河的阿爾伯特吊橋,最大跨度384英尺。
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
是大量彼此相同的短鋼管或合金管組成的平面或空間桁架。
它與桁架不同,桁架的桿有主從之別。
由于分析它的應(yīng)力,未知量很多,所以發(fā)展較晚,到20世紀(jì)60年代后才廣泛使用。
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
懸索結(jié)構(gòu)
最早的吊橋在9世紀(jì)70年代就在英國出現(xiàn)了。
把高強(qiáng)度鋼絲固定于外部混凝土圈梁上,正好發(fā)揮鋼絲耐拉、混凝土耐壓的優(yōu)點。
20世紀(jì)60年代之后,大跨度的的展覽廳、運(yùn)動場時有出現(xiàn)。
華盛頓的懸索網(wǎng)展覽廳
展覽廳內(nèi)部
懸索的固定處
倫敦阿爾伯特吊橋
金門大橋
斜拉橋拉桿根部的減振器
薄殼結(jié)構(gòu)
彈性薄殼的理論是樂甫(Love)在基爾霍夫關(guān)于板的理論的基礎(chǔ)上在19世紀(jì)末發(fā)展起來的。
20世紀(jì)20年代,在德國首先把圓柱殼用于屋頂結(jié)構(gòu)。后來出現(xiàn)了球面、馬鞍面等多種曲面的殼結(jié)構(gòu)和折板結(jié)構(gòu)。
在大型冷卻塔使用薄殼結(jié)構(gòu)大約起于1913年左右。
薄殼理論大約在20世紀(jì)40年代趨于成熟,在那以后薄殼被廣泛應(yīng)用于建筑。用于船舶、航空結(jié)構(gòu)則還要早。
薄殼結(jié)構(gòu):圣?路易斯機(jī)場
薄殼結(jié)構(gòu):發(fā)電廠的冷卻塔
薄殼結(jié)構(gòu):波音7 6 7飛機(jī)
薄殼結(jié)構(gòu):輸油管道
充氣結(jié)構(gòu)
隨化學(xué)工業(yè)發(fā)展,尼龍薄膜、人造纖維普遍使用。充氣結(jié)構(gòu)是在懸索結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
安裝、充氣、拆卸、搬運(yùn)都很方便。
可以做得跨度很大。
最早出現(xiàn)于40年代,大量出現(xiàn)于70年代。
充氣結(jié)構(gòu):溫哥華的充氣結(jié)構(gòu)展覽廳
4. 彈性力學(xué)
彈性力學(xué)的理論早期構(gòu)架是聯(lián)系于法國橋梁道路學(xué)院的三個人。即曾在該院求學(xué)的柯西和在那里任教的納維以及納維的學(xué)生圣維南。前兩位是彈性力學(xué)一般理論的奠基人,而后者則提供大量經(jīng)典彈性問題解。
到19世紀(jì)末和20世紀(jì)初,又應(yīng)當(dāng)提到的是另外兩個人,一位是英國人樂甫,他是總結(jié)到他那時全部彈性力學(xué)成果的一位大師,并且奠定了薄殼理論的基礎(chǔ),以及系統(tǒng)將彈性力學(xué)成功地應(yīng)用于地球物理的第一人。另一位是蘇聯(lián)學(xué)者穆斯海利什維利,他終生致力于用復(fù)變函數(shù)求解彈性力學(xué)。
板殼理論
基爾霍夫在1850年發(fā)表了平板問題的重要論文,文章糾正了以往關(guān)于平板問題邊界條件的錯誤?；鶢柣舴虿捎锰撐灰圃硗茖?dǎo)板的邊界條件,指出對于求解平板問題只要兩個邊界條件便夠了。他正確地求解了圓板的振動問題。
在建立平板問題的方程時,他假定:1)變形時垂直于中面的直線仍保持為直線,變形后還垂直于中面,2)中面的元素在變形時不伸長。這個簡化平板問題的假設(shè)現(xiàn)今仍在使用,被稱為直法線假設(shè)也稱為基爾霍夫假設(shè)。
1888年,英國人樂甫利用基爾霍夫?qū)ζ桨鍐栴}的假設(shè)導(dǎo)出了彈性薄殼的平衡方程,至今這個假設(shè)被人稱為基爾霍夫――樂甫假設(shè)。
5. 結(jié)構(gòu)力學(xué)
納維是實際上處理連續(xù)梁的最早學(xué)者。他在1825年的論文中最早給出了處理這一問題的三彎矩方程。
1864年麥克斯韋耳總結(jié)他關(guān)于桁架研究的一般結(jié)論。
1873年意大利工程師卡斯蒂利亞諾(A.Kastiliano,1847-1884)得到卡斯蒂利亞諾定理。
固體力學(xué)中的其它問題
振動與波
強(qiáng)度理論與材料的疲勞問題
實驗應(yīng)力分析
塑性力學(xué)
斷裂力學(xué)
接觸問題
彈性力學(xué)的重要問題
6. 有限元方法的產(chǎn)生與發(fā)展
在適應(yīng)于計算機(jī)求解力學(xué)問題節(jié)約程序人力方面,最成功的就是有限元方法的產(chǎn)生與發(fā)展。它的產(chǎn)生也是計算力學(xué)作為力學(xué)一個獨立的分支學(xué)科形成的標(biāo)志。
50年代末加里福尼亞大學(xué)伯克利分校的威耳孫(E.L. Wilson,1930-)在克勞夫指導(dǎo)下的博士論文《二維結(jié)構(gòu)的有限元分析》,該論文于1963年完成了世界上第一個解決平面彈性力學(xué)問題的通用程序。
1960年克勞夫在匹茲堡舉行的美國土木學(xué)會電子計算會議上的《平面應(yīng)力分析中的有限元法》是最早提到有限元的論文。
7. 結(jié)構(gòu)抗震
世界上許多地區(qū)是多地震的,如日本、我國臺灣、美國舊金山等。
在多震地區(qū)建設(shè),必須考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能。
一般說來,輕而柔的結(jié)構(gòu)對抗震有利。
另外國家有關(guān)部門還制定了建筑結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)范。
8. 作用在結(jié)構(gòu)上的載荷
自重,在保證強(qiáng)度的條件下材料盡量用比重小的。
國家定有荷載規(guī)范,對風(fēng)載,雪載,溫度載荷,地震載荷以及死載和活載都有明確的規(guī)定。
在實際設(shè)計中還要按照某些荷載的不同組合來決定設(shè)計。
用空心磚重量較小
作用在結(jié)構(gòu)上的載荷:活動荷載
作用在結(jié)構(gòu)上的載荷:風(fēng)載
1965年11月1日英國渡橋發(fā)電廠的冷卻塔被風(fēng)吹倒三座
作用在結(jié)構(gòu)上的載荷
作用在結(jié)構(gòu)上的載荷:冰荷載
作用在結(jié)構(gòu)上的載荷:雪荷載
雪載導(dǎo)致的天線破壞
由于橋洞被冰堵塞導(dǎo)致橋破壞
作用在結(jié)構(gòu)上的載荷:地震載荷
本文作者:北大武際可教授
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