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结构

/structure/
条目作者邢沁妍

邢沁妍

最后更新 2024-12-13
浏览 637
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结构力学的研究对象,在建筑物、工程设施、交通运输装备和大型机械装备中由若干元件构成的,承受、传递荷载,并起骨架作用的部分。

英文名称
structure
所属学科
力学

按使用功能划分,结构可分为:各种工业与民用、地上与地下的建筑结构,水坝、大堤、闸门等水利工程结构,海上钻井平台等海洋工程结构,桥梁、隧道、公路、铁路等交通工程结构,飞机、火箭、船舶、汽车、火车等交通运输结构,储罐、管道等化工结构,还有大型汽轮机、发电机、大型机床等机械结构等。

虽然任何结构都有三个几何维度,实际上都是三维物体,但是由于其几何形状的复杂性,如果都按三维弹性力学进行分析,大多数情况下难以有效地得到分析结果。结构力学中结构分析的对象实际上是结构经过合理简化的力学模型,常用的结构基本元件有:梁、柱、杆、拱、悬索等一维元件,板、壳等二维元件,还有一些三维实体元件,这些基本元件可以单独作为结构使用,在多数情况下常组合成多种多样的结构类型使用。以建筑与工程结构为例,其中常用的基本类型有桁架结构拱结构刚架结构薄板结构、薄壳结构、网架结构、悬索结构、筒体结构、悬吊结构、板柱结构、墙板结构、充气结构等。按照结构构成元件的力学模型划分,结构可分为杆系结构薄壁结构和实体结构三大类,以及它们组合而成的组合结构。

由梁、杆、柱等构件按一定顺序连接而成的杆系结构是发展的最早的结构。在结构设计中,首先应该保证结构的几何不变性。结构在工作环境下,除满足工程所要求的功能和性能外,还必须在使用期内安全、适用、经济、耐久地承受外加的或内部形成的各种作用。为此,必须对结构进行力学分析。对于杆系结构的结构分析是在材料力学杆件理论的基础上发展起来的,主要有力法位移法两大类。

结构的类型随着人类生产与生活的需要,以及结构材料与工程力学的发展而不断发展。根据所用材料,结构还可分为混凝土结构、钢结构、钢-混凝土混合结构、砌体结构、木结构、竹结构、复合材料结构等。为了充分利用材料性能,在杆系结构之后,薄壁结构得到很大发展,同时板壳理论也得到了发展。尤其是船舶结构、航空、航天结构和各种交通运输结构,都特别看重减轻结构自身重量,因此必须采用薄壁结构。最初在船舶结构、飞机结构设计分析中,也常采用材料力学公式来分析其中的薄壁梁。随着计算机和计算力学有限元法等数值方法的飞速发展,利用结构有限元法等方法已经可以对包括各种薄壁结构在内的复杂结构进行更加准确可靠的结构分析。

在结构的各种分类中,按照构成元件力学模型所做的分类是最基本的分类,因为对不同模型的建模、分析方法有明显差别。除此基本分类外,还有许多其他的分类,例如:杆系结构根据是否静定,可以分为静定结构超静定结构;根据结构的几何模型和荷载是否在一个平面内,可以分为平面结构和空间结构等。

随着工程理念和计算力学的发展,结构设计分析方法已经从经验估算法发展到结构分析计算指导下的计算机辅助设计。结构分析包括结构强度分析结构刚度分析,从线性的弹性分析发展到考虑非线性的结构弹塑性分析、结构失稳分析、结构倒塌分析和结构塑性极限分析。另一方面从结构静力学分析发展到结构动力学分析。结构安全设计方法也从经验设计法进入了容许应力设计法,按破损状态设计法、极限状态设计法、全寿命周期设计法,以及可靠性设计方法等。结构优化设计也在结构软件系统的帮助下得到了发展。

由于新型结构不断涌现、结构所处环境和荷载工况常常出现对结构安全不利的情况,即使在计算力学得到发展的条件下,所得数值结果的可靠性仍然是一个关键问题。因此数值结果的实验验证和计算方法和软件的数值验证也始终是重要的研究领域。结构实验包括结构静力实验结构动力实验两大类,同时包括在实验室进行的实验件的实验,以及对已有结构的现场实测。对于重要的结构,通过虚拟设计技术可以减少模型试验,在保证结构安全可靠的条件下显著缩短建设周期。

新型材料不断出现、新型结构体系逐渐诞生、新型施工技术和现代施工管理方法逐步实现,结构可持续发展、结构韧性等新概念、新理念被提出和关注,科技和社会的进步将继续带动和促进各种工程结构及其分析、设计方法不断地发展。

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