感知結(jié)構(gòu)概念(中文版)

1、感知結(jié)構(gòu)概念季天健，AdrianBell著layIor&FrancisTaylor&FrancisGroupLONDONANDNEWYORK心亠序言:在朗文當(dāng)代英語大辭典中，“概念”被定義為原理或觀點。原理是指那些已經(jīng)被認可的、并可作為推理或行動基礎(chǔ)的事實和信念。在土木工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)概念是學(xué)習(xí)，分析和設(shè)計的重要基礎(chǔ)。對于學(xué)生、教師和工程師來說，理解結(jié)構(gòu)概念、講解結(jié)構(gòu)概念，以及在工程中應(yīng)用結(jié)構(gòu)概念都是非常重要的。因此在高校中應(yīng)加強結(jié)構(gòu)概念的教學(xué)，以適應(yīng)在學(xué)習(xí)和工作中面臨的變化和挑戰(zhàn)。過去，結(jié)構(gòu)概念通常是通過手算和工程經(jīng)驗積累獲得的。而現(xiàn)在，大量的手算工作已被計算機取代，這就需要借助新的方式來獲取

2、結(jié)構(gòu)概念。對于結(jié)構(gòu)概念的理解是非常重要的，它是設(shè)計合理而富有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)（建筑、橋梁等）的基礎(chǔ)。隨著計算機的廣泛應(yīng)用，人們往往對計算機分析結(jié)果給予過分的信任。事實上，盡管計算機分析結(jié)果在數(shù)學(xué)上是正確的，但是如果采取了不正確的假設(shè)和模型，其結(jié)果仍可能存在缺陷和錯誤。過分依賴計算機，這也是建筑行業(yè)對剛畢業(yè)大學(xué)生的批評原因之一。一般來說，這些剛畢業(yè)的學(xué)生善于使用計算機，卻無法判斷計算機分析結(jié)果是否正確。這可能說明他們在大學(xué)學(xué)習(xí)期間可能沒有充分掌握基本的結(jié)構(gòu)概念。結(jié)構(gòu)概念和原理是抽象的，無法被直接看到或感覺到。例如，傳力路徑反映了荷載從其作用點傳遞到了結(jié)構(gòu)支座的過程；共振描述了當(dāng)動荷載的頻率等于結(jié)構(gòu)固

3、有頻率時結(jié)構(gòu)的振動特征。如果這樣的原理可以被觀察到或觸摸到，學(xué)生就能夠更好的掌握和記住它們。教科書通常不提供工程實例來說明結(jié)構(gòu)概念的應(yīng)用情況。如果教師們可以講授一些相關(guān)的工程實例，并且適當(dāng)?shù)膶⒀芯抗ぷ饕氲浇虒W(xué)中，勢必會激發(fā)學(xué)生的興趣，提高他們對結(jié)構(gòu)概念的理解程度。課堂實踐表明，相對于用語言或黑板/投影/幻燈片等方式來講解，學(xué)生們更喜歡通過實物來演示；相對于課本上的例題，學(xué)生們對于應(yīng)用概念來解決工程問題的實例更有興趣。通過直接觸摸以及將概念和模型與實際工程問題聯(lián)系起來，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在這樣的背景下，我們一直在發(fā)展我們所稱為的“看得見摸得著的結(jié)構(gòu)概念”，并將其作為傳統(tǒng)課堂教與學(xué)的

4、補充。為實現(xiàn)這個目標，我們采取了以下三種方式。在傳統(tǒng)教學(xué)中，提供一系列簡單的模型演示來說明結(jié)構(gòu)概念和原理，以使學(xué)生更好地理解這些概念。我們首先找出那些可以用實物和模型來演示的結(jié)構(gòu)概念，然后設(shè)計、制作出簡單且適合于課堂使用的演示模型來解釋這些概念。在可能的情況下，還鼓勵學(xué)生來幫助設(shè)計和制造這些模型。通過相關(guān)的工程實例來說明結(jié)構(gòu)概念和原理的應(yīng)用，以幫助學(xué)生在理論知識和實踐之間架起一座橋梁。通過觀察結(jié)構(gòu)概念如何被應(yīng)用到實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，學(xué)生們對學(xué)習(xí)產(chǎn)生了真正的興趣，對結(jié)構(gòu)概念得到了更好的理解。我們已經(jīng)找到了一些可以在實踐中應(yīng)用的工程實例。此外我們還研究了那些導(dǎo)致倒塌的失敗設(shè)計，這些例子正好說明了錯誤理

5、解結(jié)構(gòu)概念造成的后果。將科研成果，特別是那些包含結(jié)構(gòu)概念的科研成果適當(dāng)引入到教材中，以加強現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容。科研和教學(xué)在高校中往往是獨立進行的，這使得科研成果和本科教學(xué)之間聯(lián)系并不總能得到發(fā)展。在本書中，那些和結(jié)構(gòu)概念有關(guān)或和闡述結(jié)構(gòu)概念的研究成果，已經(jīng)通過模型演示和工程實例相聯(lián)系的方式應(yīng)用到課堂教學(xué)中。例如，設(shè)計剛度更大的結(jié)構(gòu)的概念，結(jié)構(gòu)振動中的人體模型，以及用豎向荷載引起的框架結(jié)構(gòu)水平移動等都在書中有所介紹。我們已經(jīng)開發(fā)了許多實物模型來闡述結(jié)構(gòu)概念，并總結(jié)了大量的工程以及日常生活的實例來說明這些概念的使用。這些模型和實例在教科書中通常是沒有的，但卻是對教與學(xué)的有益補充，因為實物模型和應(yīng)用實例

6、往往可以幫助學(xué)生很快的掌握和記住相應(yīng)的概念。本書中的例子將結(jié)構(gòu)概念、簡單的模型演示和工程實例有機的結(jié)合在一起，有助于教師授課，也會是建筑與結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的學(xué)生以及工程設(shè)計人員收益。希望通過對本書的學(xué)習(xí)能激發(fā)讀者的興趣，去尋找更多的結(jié)構(gòu)概念以及他們的應(yīng)用。第一部分靜力學(xué)1.平衡定義和概念平衡：處于靜止不動（或勻速直線運動）狀態(tài)的物體，可稱其處于平衡狀態(tài)。穩(wěn)定平衡：如果物體在微小繞到狀態(tài)下勢能增加，而擾動撤除后又會回到初始平衡位置，則稱物體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。不穩(wěn)定平衡:如果物體在微小擾動狀態(tài)下偏離初始平衡位置，則稱其處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。如果物體處于平衡狀態(tài)，無論作用其上的力的大小和方向如何，物體所受

7、到的作用力之和和反作用力之和總是相等，或作用在該物體上的合力為零。如果物體處于平衡狀態(tài)，作用在物體上的合力矩（無論是關(guān)于哪一點）均為零。理論背景剛體：在外力作用下處于平衡狀態(tài)的物體，如果物體的變形不影響其平衡位置及作用力的大小方向，則該物體可視為剛體。內(nèi)力：作用在物體內(nèi)部各微元之間，大小相等、方向相反且成對出現(xiàn)的力稱為內(nèi)力。物體中的內(nèi)力之和為零，因此在考慮物體的整體平衡時不必考慮內(nèi)力的影響。外力：作用在物體表面并且分布于接觸面上的力稱為外力。當(dāng)接觸面積相對于物體表面積足夠小時，外力可被理想化為作用在物體表面某一點上的集中力。分布式外力的一個典型例子是作用在建筑面墻面上的風(fēng)荷載，而作用在橋面板上

8、的車輛荷載則可被認為是集中力，因為車輛荷載是通過車輪將其重量傳遞給橋面的，車輪與橋面的接觸面積相對于橋面面積而言足夠小。力矩：使物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)的力稱為力矩，它既可以是內(nèi)力，也可以是外力。一對大小相同、方向相反的平行力稱為力偶，其距等于力的大小與平行力之間垂直距離的乘積。體力：地球引力對物體的作用稱為體力或稱物體自重。體力與其他外力的區(qū)別在于可以通過非垂直接觸的方式產(chǎn)生。自重在結(jié)構(gòu)設(shè)計中是非常重要的。例如混凝土樓板的自重就可能大于由人和家具等在樓板上產(chǎn)生的作用力。除自重外，體力也可由磁場或電場的作用產(chǎn)生。支座反力：在支座或物體間接觸點上產(chǎn)生的力稱為支座反力。支座的作用是阻止物體運動，不同類型的

9、支座能夠阻止不同類型的運動。對于平面結(jié)構(gòu)，實際上主要用到的支座類型有：固定絞支座：限制物體沿兩允許物體繞鉸支座轉(zhuǎn)滑動鉸支座：限制物體沿某一方向的平動，但允許物體沿與限制方向垂直的另一方向平動及繞支座轉(zhuǎn)動。固定支座：限制物體在兩個相互垂直方向的平動和饒支座的轉(zhuǎn)動。（a）Pinsupports（b）Rollersupports（c）FixedsupportsFigure1.1Examplesofsupportconditions*岡Q體的平衡條件：當(dāng)一剛體處于靜止不動的平衡狀態(tài)時。作用在剛體上的所有的力F和力矩M對該剛體的影響可以相互抵消。假設(shè)所有的力和力矩都作用在xy平面內(nèi)，則剛體的平衡條件可以

10、用三個標量平衡方程來表達：SFx=0,LFy=0,LMa=0（1.1）方程（1.1）表明：沿x和y方向的合力為零，饒平面內(nèi)任意一點的合力矩為零。對一個平衡問題，可以用這三個平衡方程求解三個未知量，例如單個物體在xy平面內(nèi)的支座反力。隔離體受力圖：是指用圖形的方式表示物體（或物體的一部分）所受到的來自其他物體的（或物體的其他部分）的力。通過受力圖可以完整、清晰地表示出作用在該物體上的全部力，因此畫隔離體受力圖是一項十分重要和必要的技能。1.3模型演示1.3.1作用力與反作用力本模擬實驗演示了例1.1的結(jié)論，即：不論外力作用在何位置，支座反力之和總等于外力W。當(dāng)外力W作用在兩支座中的一個上時，該支座的反力與外力大小相等方向相反，而另一個支座的反力為零。圖1.3a所示為一個兩端由臺秤支撐的木梁，梁安置好后使臺秤歸零。將質(zhì)量為454g的砝碼分別放在梁上的三個不同位置，并記下臺秤的讀數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)砝碼位于梁的不同位置上時