首先，一個(gè)結(jié)構(gòu)要承擔(dān)它的使用功能，例如建筑在南方沿海的一座樓房，它不僅要承受日常的載荷，如在樓內(nèi)生活的人群、各種家具和附屬物對(duì)樓產(chǎn)生的載荷，樓還要經(jīng)受臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)。建在地震區(qū)的結(jié)構(gòu)又要經(jīng)受地震的考驗(yàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者就要借助結(jié)構(gòu)力學(xué)，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在以上各種使用的條件下，結(jié)構(gòu)不會(huì)喪失它的功能，即使在極端不利的條件下，結(jié)構(gòu)可以開裂或受損，樓房中的人也應(yīng)當(dāng)是安全的。一句話，所謂安全，就是要保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。從另一方面說(shuō)，如果為了安全，把結(jié)構(gòu)做得特別結(jié)實(shí)，多用材料用好材料，樓房多配鋼筋做成一個(gè)鐵疙瘩行不行呢？那樣又太浪費(fèi)了。結(jié)構(gòu)力學(xué)就是要幫助設(shè)計(jì)者掌握一個(gè)度，既要安全又要經(jīng)濟(jì)。所以結(jié)構(gòu)力學(xué)，實(shí)在是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的手段。

結(jié)構(gòu)力學(xué)是怎樣做到這一點(diǎn)的呢？從廣義的結(jié)構(gòu)力學(xué)來(lái)說(shuō)，它需要解決以下三方面的問(wèn)題：

1、確定結(jié)構(gòu)所受的外力（包括外力、外部熱、電磁場(chǎng)等條件）；2、根據(jù)外力和結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部每一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和位移/3、根據(jù)得到的應(yīng)力狀態(tài)和位移判斷結(jié)構(gòu)在所給定的條件下判定結(jié)構(gòu)會(huì)不會(huì)破壞。

這三個(gè)方面的問(wèn)題，一直是有關(guān)結(jié)構(gòu)研究的主要方面，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，即使到現(xiàn)在，也不能說(shuō)都研究清楚了。

對(duì)于第一方面的問(wèn)題，要確定作用在結(jié)構(gòu)上的外力，是很復(fù)雜的任務(wù)，對(duì)于作用在結(jié)構(gòu)上的靜力，像結(jié)構(gòu)的自重、加載在結(jié)構(gòu)上的負(fù)重（如橋梁上的車輛等）是比較容易弄清楚的，但是作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載、雪載、地震載荷等就不容易弄清楚了，它不僅與風(fēng)力和震級(jí)的大小有關(guān)，還和結(jié)構(gòu)所在的地區(qū)有關(guān)，蓋在海南島與蓋在北京的房屋結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)考慮的風(fēng)載就不應(yīng)當(dāng)一樣。所以就與該地區(qū)長(zhǎng)期對(duì)風(fēng)速和地震的記錄資料是緊密有關(guān)的，從這些資料經(jīng)過(guò)專門的分析得到一個(gè)該地區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)力和地震的震級(jí)，進(jìn)入設(shè)計(jì)規(guī)范。類似地，車輛在不平路段行進(jìn)的顛簸所形成的載荷、船舶在波浪起伏的海上所受的載荷、飛機(jī)在航線上由于氣流的不穩(wěn)定所應(yīng)當(dāng)考慮的載荷，這些都是要經(jīng)過(guò)大量的資料和實(shí)測(cè)才能確定下來(lái)的。這些資料，也是一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)水平的一項(xiàng)基本建設(shè)。

圖1 受剪切的鋼棒

對(duì)于第三方面的研究，即關(guān)于材料強(qiáng)度方面的研究，有很長(zhǎng)的歷史。1638年，伽利略在他的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中，就討論了材料在受拉伸時(shí)的強(qiáng)度問(wèn)題。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)材料不僅能夠拉斷，還會(huì)被剪斷，如圖1，上下兩個(gè)沖頭作用下，中間的鋼棒會(huì)被剪斷，而鋼棒并沒有被拉伸。所以材料的斷裂強(qiáng)度問(wèn)題是足夠復(fù)雜的。后來(lái)人們總結(jié)出對(duì)于均勻材料根據(jù)應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的強(qiáng)度判據(jù)，不過(guò)這還是不能滿足需要。隨著材料的種類增加，不同材料有不同的強(qiáng)度特點(diǎn)，例如混凝土受壓強(qiáng)度很高而受拉的強(qiáng)度又很低，還有各向異性材料，例如木材對(duì)于不同方向受拉強(qiáng)度差別很大。進(jìn)而，材料在不同溫度下強(qiáng)度的表現(xiàn)不同，材料在載荷作用下經(jīng)受的時(shí)間長(zhǎng)度會(huì)影響強(qiáng)度，材料在交變應(yīng)力作用下的強(qiáng)度，即材料的疲勞強(qiáng)度和損傷的問(wèn)題都是工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。所以材料強(qiáng)度問(wèn)題，即使到今天，仍然是一個(gè)需投入力量研究的方向。

現(xiàn)在我來(lái)著重談?wù)劷Y(jié)構(gòu)力學(xué)第二方面的問(wèn)題，即根據(jù)外力和結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部每一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和位移。從根本上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)能夠安全，首先是把結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變和位移分析得準(zhǔn)確，因之這個(gè)環(huán)節(jié)又稱為結(jié)構(gòu)分析。從狹義的觀點(diǎn)來(lái)看，人們經(jīng)常說(shuō)的結(jié)構(gòu)力學(xué)，主要就指的是結(jié)構(gòu)分析。從歷史發(fā)展上來(lái)看，從狹義的意義上來(lái)看，所謂結(jié)構(gòu)力學(xué)主要是指桿件系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變和變形的分析。這是因?yàn)?，這部知識(shí)分形成得比較早，它是結(jié)構(gòu)力學(xué)最早系統(tǒng)化的知識(shí)。我們現(xiàn)在就著重來(lái)談?wù)勱P(guān)于桿系的結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題。這是因?yàn)殛P(guān)于板殼彈性力學(xué)，后來(lái)都形成專門的學(xué)科。

桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展是分兩步走的：

第一步首先是對(duì)一根桿件的力學(xué)分析，也就是對(duì)于梁的彎曲和桿的拉伸扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的解決；第二步才是考慮許多桿組合在一起的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析問(wèn)題。

桿的壓縮和拉伸的受力問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，早在1638年，在伽利略的巨著《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中，就已經(jīng)大致解決了。所以說(shuō)是大致解決，是在直桿在受軸向壓力或拉力的條件下，桿的內(nèi)力能夠準(zhǔn)確地求得，然后用截面大小去除，得到的是單位截面所受的拉壓力，用來(lái)表征材料的受拉壓的強(qiáng)度。至于這時(shí)產(chǎn)生的變形，那要等到1678年英國(guó)人胡克提出物體的彈性之后才逐漸弄清楚的。

圖2 納維像

說(shuō)到等截面直梁的彎曲問(wèn)題，那的確是經(jīng)過(guò)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期才搞清楚。即使把1638年伽利略在他的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話中》作為精確研究梁的彎曲的研究的開始，直到1826年，法國(guó)學(xué)者納維（Louis Henri Navier ，1785 –1836）在他的《力學(xué)在結(jié)構(gòu)和機(jī)械方面的應(yīng)用》一書的出版，才算是最后完成，經(jīng)過(guò)了近200年的漫長(zhǎng)歲月。這期間，有許多學(xué)者對(duì)梁進(jìn)行了研究，其中最重要的是雅各布·伯努利（JacobBernoulli，1654-1765）于1705年發(fā)表的論文《彈性梁的彎曲》提出了平截面假定，即梁在變形時(shí)梁的橫截面保持平面，由此，梁的控制方程大大簡(jiǎn)化，不過(guò)由于他們?cè)谇蠼獾倪^(guò)程中，對(duì)梁的中性軸（即梁在變形時(shí)截面上沒有拉壓的那點(diǎn)所形成的軸）的位置設(shè)定的不正確，所以還是不能得到正確的結(jié)果。中性軸的問(wèn)題由納維最后解決了，他嚴(yán)格論證，在純彎曲條件下，梁的中性軸的位置應(yīng)當(dāng)是截面的形心。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中納維最早提出了超靜定結(jié)構(gòu)的概念，并且給出了求解的方法，也就是說(shuō)這類問(wèn)題單靠平衡方程不能得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力的全部解，需要加入結(jié)構(gòu)的變形求解，例如圖2左那樣多根桿的系統(tǒng)與右邊的一端固定一端簡(jiǎn)支的梁就是這樣的系統(tǒng)。

圖3 納維討論的超靜定結(jié)構(gòu)

在他的《力學(xué)在結(jié)構(gòu)和機(jī)械方面的應(yīng)用》這本書中，還討論了擋土墻、桁架、栱、板等結(jié)構(gòu)問(wèn)題?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)納維的這本書是結(jié)構(gòu)力學(xué)中第一本比較全面闡述結(jié)構(gòu)力學(xué)的專著，它標(biāo)志著結(jié)構(gòu)力學(xué)成為獨(dú)立的學(xué)科分支。

19世紀(jì)50年代，由于煉鋼技術(shù)的普及，用鋼鐵作為結(jié)構(gòu)隨之也得到普及。鋼結(jié)構(gòu)比起用木材和磚石的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜許多，也輕巧許多，于是就要求結(jié)構(gòu)力學(xué)適應(yīng)新的復(fù)雜性的要求。要求更簡(jiǎn)單易于掌握、適應(yīng)于分析大量構(gòu)件組合的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法。適應(yīng)這樣的要求，德國(guó)工程師卡爾·庫(kù)爾曼（Karl Culmann，1821 –1881）于1851年之后將他擴(kuò)張了的桁架理論進(jìn)一步發(fā)展，用圖解的方式去求解，后來(lái)稱為圖解靜力學(xué)。再后來(lái)，曾經(jīng)在高等學(xué)校教學(xué)的一些學(xué)者：德國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）、德國(guó)工程師文科勒（Emil Winkler，1835-1888）、德國(guó)工程師莫爾（Christian Otto Mohr，1835-1918）、意大利學(xué)者卡斯提也努（Alberto Castigliano，1847-1884）、德國(guó)工程師穆勒（Heinrich FranzBernhard Müller，1851-1925）、俄羅斯工程師科皮切夫（Viktor Lvovich Kirpichev，1845-1913）系統(tǒng)地發(fā)展了求解超靜定結(jié)構(gòu)的方法，這就是后來(lái)所稱為的力法，他們還發(fā)展了圖解力學(xué)，發(fā)展了強(qiáng)度理論。用形變法求解超靜定剛架結(jié)構(gòu)是由丹麥的工程師本笛克森（AxelBendixen）在1914年給出的。同時(shí)，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824-1887）完成了彈性薄板的理論，英國(guó)學(xué)者樂甫（Augustus Edward Hough Love，1863-1940）完成了彈性薄殼的理論。所有這些發(fā)展成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)的龐大的體系。這些基本上是在19世紀(jì)后半葉和二十世紀(jì)前半葉形成的。

二十世紀(jì)五十年代電子計(jì)算機(jī)來(lái)到世界上，計(jì)算機(jī)最早的大規(guī)模應(yīng)用就是用來(lái)解決力學(xué)問(wèn)題。隨后到六十年代，不僅原先的桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題能夠用計(jì)算機(jī)求解，隨著有限單元法的發(fā)展，原來(lái)辦法不多的彈性力學(xué)和連續(xù)體的力學(xué)問(wèn)題也能夠用計(jì)算機(jī)求解。

隨后大量的用計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)軟件出現(xiàn)，并得到迅速發(fā)展，包含二維元、三維元、梁?jiǎn)卧?、桿單元、板單元、殼單元、流體單元等多種單元、能解決彈性、塑性、流變、流體以及溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)各種復(fù)雜耦合問(wèn)題的軟件以及軟件系統(tǒng)不斷出現(xiàn)。在10多年內(nèi)生產(chǎn)與銷售有限元軟件形成了有相當(dāng)規(guī)模的社會(huì)新產(chǎn)業(yè)，而且使用有限元法解決實(shí)際問(wèn)題迅速在工程技術(shù)部門普及。1960年克勞夫在匹茲堡舉行的美國(guó)土木學(xué)會(huì)電子計(jì)算會(huì)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。之后有限元的論文、文集、專著大量涌現(xiàn)，專題學(xué)術(shù)會(huì)議不斷召開。新的單元、新的求解器不斷提出，先后有等參元、高次元、不協(xié)調(diào)元、擬協(xié)調(diào)元、雜交元、樣條元、邊界元、罰單元等不同的單元，有帶寬與變帶寬消去法、超矩陣法、波前法、子結(jié)構(gòu)法、子空間迭代法等求解方法，還有網(wǎng)格自動(dòng)剖分等前后處理的研究，這些工作大大加強(qiáng)了有限元法的解題能力，使整架飛機(jī)、整條船這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能夠一次進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，使有限元方法逐漸趨于成熟。

結(jié)構(gòu)力學(xué)盡管有了空前的發(fā)展，不過(guò)對(duì)于許多非線性結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題，人們的辦法還不夠多，還有待進(jìn)行研究。要達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的完全自由人們還需要準(zhǔn)備走很長(zhǎng)的路。

參考文獻(xiàn)

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