搜索結構工程的歷史發展【結構工程是工程力學專業主要就業方向之一】
2017-08-23 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
結構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
5. 結構力學
6. 有限元方法的產生與發展
7. 結構抗震
8. 作用在結構上的載荷
人類文明程度的一種標志體現在各種結構上,承受力而又有一定功能的物體都可以歸結為結構,如高樓、車、船、飛機、大橋、大壩、機床、望遠鏡、精密儀表等都可看為特定的結構。廣義地說,地殼、巖基、土層也可以看為結構。人類愈進步,結構愈復雜。
所謂建筑,一要實用、舒適、好看;二要安全、經濟。
前一個任務是屬于建筑學要解決的問題。而后一類問題就是工程結構、結構力學要解決的問題。
結構設計,包含結構物本身的強度、剛度、動力及穩定性分析。
目前結構設計大部分工作量都開始由計算機承擔,這就是計算結構力學與結構CAD(計算機輔助設計)。
結構設計的另一方面是確定結構所受的荷載。
還包括保持一定功能的優化設計,新結構形式的研究與結構的加工與成形的研究。如果我們能在鋼結構設計中選用優化的方法,節約1%的鋼材,它就相當于建造一座年產百萬噸的鋼廠。
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。
木結構不耐火,所以我國存世古建筑歷史很長的不多。
早期的材料力學研究
達·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《關于兩種新學科的對話》(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,所以結果的系數都不正確。
雅科比·伯努利(Jacob Bernoulli,1654-1705)關于梁的研究,這就是現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,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世紀中葉之后,煉鋼技術得到普及于是在結構上普遍采用鋼鐵。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。
網架結構
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。
由于分析它的應力,未知量很多,所以發展較晚,到20世紀60年代后才廣泛使用。
網架結構
網架結構
網架結構
懸索結構
最早的吊橋在9世紀70年代就在英國出現了。
把高強度鋼絲固定于外部混凝土圈梁上,正好發揮鋼絲耐拉、混凝土耐壓的優點。
20世紀60年代之后,大跨度的的展覽廳、運動場時有出現。
華盛頓的懸索網展覽廳
展覽廳內部
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
薄殼結構
彈性薄殼的理論是樂甫(Love)在基爾霍夫關于板的理論的基礎上在19世紀末發展起來的。
20世紀20年代,在德國首先把圓柱殼用于屋頂結構。后來出現了球面、馬鞍面等多種曲面的殼結構和折板結構。
在大型冷卻塔使用薄殼結構大約起于1913年左右。
薄殼理論大約在20世紀40年代趨于成熟,在那以后薄殼被廣泛應用于建筑。用于船舶、航空結構則還要早。
薄殼結構:圣?路易斯機場
薄殼結構:發電廠的冷卻塔
薄殼結構:波音7 6 7飛機
薄殼結構:輸油管道
充氣結構
隨化學工業發展,尼龍薄膜、人造纖維普遍使用。充氣結構是在懸索結構基礎上發展起來的。
安裝、充氣、拆卸、搬運都很方便。
可以做得跨度很大。
最早出現于40年代,大量出現于70年代。
充氣結構:溫哥華的充氣結構展覽廳
4. 彈性力學
彈性力學的理論早期構架是聯系于法國橋梁道路學院的三個人。即曾在該院求學的柯西和在那里任教的納維以及納維的學生圣維南。前兩位是彈性力學一般理論的奠基人,而后者則提供大量經典彈性問題解。
到19世紀末和20世紀初,又應當提到的是另外兩個人,一位是英國人樂甫,他是總結到他那時全部彈性力學成果的一位大師,并且奠定了薄殼理論的基礎,以及系統將彈性力學成功地應用于地球物理的第一人。另一位是蘇聯學者穆斯海利什維利,他終生致力于用復變函數求解彈性力學。
板殼理論
基爾霍夫在1850年發表了平板問題的重要論文,文章糾正了以往關于平板問題邊界條件的錯誤。基爾霍夫采用虛位移原理推導板的邊界條件,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現今仍在使用,被稱為直法線假設也稱為基爾霍夫假設。
1888年,英國人樂甫利用基爾霍夫對平板問題的假設導出了彈性薄殼的平衡方程,至今這個假設被人稱為基爾霍夫――樂甫假設。
5. 結構力學
納維是實際上處理連續梁的最早學者。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年麥克斯韋耳總結他關于桁架研究的一般結論。
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。
固體力學中的其它問題
振動與波
強度理論與材料的疲勞問題
實驗應力分析
塑性力學
斷裂力學
接觸問題
彈性力學的重要問題
6. 有限元方法的產生與發展
在適應于計算機求解力學問題節約程序人力方面,最成功的就是有限元方法的產生與發展。它的產生也是計算力學作為力學一個獨立的分支學科形成的標志。
50年代末加里福尼亞大學伯克利分校的威耳孫(E.L. Wilson,1930-)在克勞夫指導下的博士論文《二維結構的有限元分析》,該論文于1963年完成了世界上第一個解決平面彈性力學問題的通用程序。
1960年克勞夫在匹茲堡舉行的美國土木學會電子計算會議上的《平面應力分析中的有限元法》是最早提到有限元的論文。
7. 結構抗震
世界上許多地區是多地震的,如日本、我國臺灣、美國舊金山等。
在多震地區建設,必須考慮結構的抗震性能。
一般說來,輕而柔的結構對抗震有利。
另外國家有關部門還制定了建筑結構的抗震規范。
8. 作用在結構上的載荷
自重,在保證強度的條件下材料盡量用比重小的。
國家定有荷載規范,對風載,雪載,溫度載荷,地震載荷以及死載和活載都有明確的規定。
在實際設計中還要按照某些荷載的不同組合來決定設計。
用空心磚重量較小
作用在結構上的載荷:活動荷載
作用在結構上的載荷:風載
1965年11月1日英國渡橋發電廠的冷卻塔被風吹倒三座
作用在結構上的載荷
作用在結構上的載荷:冰荷載
作用在結構上的載荷:雪荷載
雪載導致的天線破壞
由于橋洞被冰堵塞導致橋破壞
作用在結構上的載荷:地震載荷
本文作者:北大武際可教授
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