搜索结构工程的历史发展【结构工程是工程力学专业主要就业方向之一】
2017-08-23 by:CAE仿真在线 来源:互联网
结构工程是人类文明的脊梁
目 录
1. 以石、木、砖为主要建筑材料的时代
2. 混凝土的简史
3. 钢铁材料
4. 弹性力学
5. 结构力学
6. 有限元方法的产生与发展
7. 结构抗震
8. 作用在结构上的载荷
人类文明程度的一种标志体现在各种结构上,承受力而又有一定功能的物体都可以归结为结构,如高楼、车、船、飞机、大桥、大坝、机床、望远镜、精密仪表等都可看为特定的结构。广义地说,地壳、岩基、土层也可以看为结构。人类愈进步,结构愈复杂。
所谓建筑,一要实用、舒适、好看;二要安全、经济。
前一个任务是属于建筑学要解决的问题。而后一类问题就是工程结构、结构力学要解决的问题。
结构设计,包含结构物本身的强度、刚度、动力及稳定性分析。
目前结构设计大部分工作量都开始由计算机承担,这就是计算结构力学与结构CAD(计算机辅助设计)。
结构设计的另一方面是确定结构所受的荷载。
还包括保持一定功能的优化设计,新结构形式的研究与结构的加工与成形的研究。如果我们能在钢结构设计中选用优化的方法,节约1%的钢材,它就相当于建造一座年产百万吨的钢厂。
1、以石、木、砖为主要建筑材料的时代
无论是东方还是西方,在使用钢、混凝土为主要建筑材料之前,时间最长的是以石、木、砖为建筑材料。
具体来说,西方多以石料作建筑材料,而我国和东方各国多以砖、木为建筑材料。
木结构不耐火,所以我国存世古建筑历史很长的不多。
早期的材料力学研究
达·芬奇在他的手稿中研究和讨论了柱所能承受的载荷。
伽利略在他《关于两种新学科的对话》(1638年)提到、考查了固定端悬臂梁的承载能力的问题。
马略特作了伽利略所作的实验,由于他们的截面上平衡条件都不对,所以结果的系数都不正确。
雅科比·伯努利(Jacob Bernoulli,1654-1705)关于梁的研究,这就是现今人们所称的伯努利梁理论。
2、混凝土的简史
1774年,英国工程师斯密顿(J.Smeaton)在建造海上灯塔时石灰。粘土、砂混合物砌基础,效果很好。
1824年英国石匠营造者亚斯普丁(J. Aspdim, 1779-1885)取得了烧制水泥的专利,因其与波特兰地方的石材很相近,所以称为波特兰水泥。
法国1840、德国1855设水泥厂。
1970年世界每人每年使用水泥156公斤。
3. 钢铁材料
19世纪中叶之后,炼钢技术得到普及于是在结构上普遍采用钢铁。1859年英国建成第一艘钢船。
1873年英国伦敦建成跨泰晤士河的阿尔伯特吊桥,最大跨度384英尺。
网架结构
是大量彼此相同的短钢管或合金管组成的平面或空间桁架。
它与桁架不同,桁架的杆有主从之别。
由于分析它的应力,未知量很多,所以发展较晚,到20世纪60年代后才广泛使用。
网架结构
网架结构
网架结构
悬索结构
最早的吊桥在9世纪70年代就在英国出现了。
把高强度钢丝固定于外部混凝土圈梁上,正好发挥钢丝耐拉、混凝土耐压的优点。
20世纪60年代之后,大跨度的的展览厅、运动场时有出现。
华盛顿的悬索网展览厅
展览厅内部
悬索的固定处
伦敦阿尔伯特吊桥
金门大桥
斜拉桥拉杆根部的减振器
薄壳结构
弹性薄壳的理论是乐甫(Love)在基尔霍夫关于板的理论的基础上在19世纪末发展起来的。
20世纪20年代,在德国首先把圆柱壳用于屋顶结构。后来出现了球面、马鞍面等多种曲面的壳结构和折板结构。
在大型冷却塔使用薄壳结构大约起于1913年左右。
薄壳理论大约在20世纪40年代趋于成熟,在那以后薄壳被广泛应用于建筑。用于船舶、航空结构则还要早。
薄壳结构:圣•路易斯机场
薄壳结构:发电厂的冷却塔
薄壳结构:波音7 6 7飞机
薄壳结构:输油管道
充气结构
随化学工业发展,尼龙薄膜、人造纤维普遍使用。充气结构是在悬索结构基础上发展起来的。
安装、充气、拆卸、搬运都很方便。
可以做得跨度很大。
最早出现于40年代,大量出现于70年代。
充气结构:温哥华的充气结构展览厅
4. 弹性力学
弹性力学的理论早期构架是联系于法国桥梁道路学院的三个人。即曾在该院求学的柯西和在那里任教的纳维以及纳维的学生圣维南。前两位是弹性力学一般理论的奠基人,而后者则提供大量经典弹性问题解。
到19世纪末和20世纪初,又应当提到的是另外两个人,一位是英国人乐甫,他是总结到他那时全部弹性力学成果的一位大师,并且奠定了薄壳理论的基础,以及系统将弹性力学成功地应用于地球物理的第一人。另一位是苏联学者穆斯海利什维利,他终生致力于用复变函数求解弹性力学。
板壳理论
基尔霍夫在1850年发表了平板问题的重要论文,文章纠正了以往关于平板问题边界条件的错误。基尔霍夫采用虚位移原理推导板的边界条件,指出对于求解平板问题只要两个边界条件便够了。他正确地求解了圆板的振动问题。
在建立平板问题的方程时,他假定:1)变形时垂直于中面的直线仍保持为直线,变形后还垂直于中面,2)中面的元素在变形时不伸长。这个简化平板问题的假设现今仍在使用,被称为直法线假设也称为基尔霍夫假设。
1888年,英国人乐甫利用基尔霍夫对平板问题的假设导出了弹性薄壳的平衡方程,至今这个假设被人称为基尔霍夫――乐甫假设。
5. 结构力学
纳维是实际上处理连续梁的最早学者。他在1825年的论文中最早给出了处理这一问题的三弯矩方程。
1864年麦克斯韦耳总结他关于桁架研究的一般结论。
1873年意大利工程师卡斯蒂利亚诺(A.Kastiliano,1847-1884)得到卡斯蒂利亚诺定理。
固体力学中的其它问题
振动与波
强度理论与材料的疲劳问题
实验应力分析
塑性力学
断裂力学
接触问题
弹性力学的重要问题
6. 有限元方法的产生与发展
在适应于计算机求解力学问题节约程序人力方面,最成功的就是有限元方法的产生与发展。它的产生也是计算力学作为力学一个独立的分支学科形成的标志。
50年代末加里福尼亚大学伯克利分校的威耳孙(E.L. Wilson,1930-)在克劳夫指导下的博士论文《二维结构的有限元分析》,该论文于1963年完成了世界上第一个解决平面弹性力学问题的通用程序。
1960年克劳夫在匹兹堡举行的美国土木学会电子计算会议上的《平面应力分析中的有限元法》是最早提到有限元的论文。
7. 结构抗震
世界上许多地区是多地震的,如日本、我国台湾、美国旧金山等。
在多震地区建设,必须考虑结构的抗震性能。
一般说来,轻而柔的结构对抗震有利。
另外国家有关部门还制定了建筑结构的抗震规范。
8. 作用在结构上的载荷
自重,在保证强度的条件下材料尽量用比重小的。
国家定有荷载规范,对风载,雪载,温度载荷,地震载荷以及死载和活载都有明确的规定。
在实际设计中还要按照某些荷载的不同组合来决定设计。
用空心砖重量较小
作用在结构上的载荷:活动荷载
作用在结构上的载荷:风载
1965年11月1日英国渡桥发电厂的冷却塔被风吹倒三座
作用在结构上的载荷
作用在结构上的载荷:冰荷载
作用在结构上的载荷:雪荷载
雪载导致的天线破坏
由于桥洞被冰堵塞导致桥破坏
作用在结构上的载荷:地震载荷
本文作者:北大武际可教授
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