結(jié)構(gòu)力學(xué)是力學(xué)一個分支

1、結(jié)構(gòu)力學(xué)是力學(xué)的一個分支，主要研究對象是由桿件組成的結(jié)構(gòu)。它是土木工程專業(yè)和機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的學(xué)科，應(yīng)用于建筑業(yè)和機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的組成規(guī)則，結(jié)構(gòu)在各種效應(yīng)(外力,溫度效應(yīng),施工誤差及支座變形等)作用下的響應(yīng),包括內(nèi)力（軸力，剪力，彎矩,扭矩）的計算，位移(線位移,角位移)計算，以及結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的動力響應(yīng)(自振周期,振型)的計算等。 結(jié)構(gòu)力學(xué)通常有三種分析的方法：靜力法，能量法，位移法，彎矩分配法，由位移法衍生出的矩陣位移法后來發(fā)展出有限元法 ，成為利用計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展簡史人類結(jié)構(gòu)力學(xué)遠(yuǎn)古時代就開始制造各種器物，如弓箭、房屋、舟楫

2、以及樂器等這些都是簡單的結(jié)構(gòu)。隨著社會的進(jìn)步，人們對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度逐漸有了認(rèn)識，并且積累了經(jīng)驗(yàn)，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃及的金字塔，中國的、趙州安濟(jì)橋、故宮等等。盡管在這些結(jié)構(gòu)中 隱含有力學(xué)的知識，但并沒有形成一門學(xué)科。就基本原理和方法而言，結(jié)構(gòu)力學(xué)是與理論力學(xué)、材料力學(xué)同時發(fā)展起來的。所以結(jié)構(gòu)力學(xué)在發(fā)展的初期是與理論力學(xué)和材料力學(xué)融合在一起的。到19世紀(jì)初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開始設(shè)計各種大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)，對于這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要作較精確的分析和計算。因此，工程結(jié)構(gòu)的分析理論和分析方法開始獨(dú)立出來，到19世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)力學(xué)開始成為一門獨(dú)立的學(xué)科。世紀(jì)中期出現(xiàn)了許

3、多結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算理論和方法。法國的納維于 1826 法。從19 世紀(jì)30 年代起，由于要在橋梁上通過火車，不僅需要考慮橋梁承受靜載荷的問題，還必須考慮承受動載荷的問題，又由于橋梁跨度的增長，出現(xiàn)了金屬桁架結(jié)構(gòu)。從1847 年開始的數(shù)十，學(xué)者們應(yīng)用圖解法、解析法等來研究靜定桁架結(jié)構(gòu)的受力分析，這奠定了桁架理論的基礎(chǔ)。1864 年，英國的創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，并用單位載荷法求出桁架的位移，由此學(xué)者們終于得到了解靜不定問題的方法?；纠碚摻⒑螅诮鉀Q原有結(jié)構(gòu)問題的同時，還不斷發(fā)展新型結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的理論。19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，學(xué)者們對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的力學(xué)研究，并研究了可動載荷下的

4、梁的動力學(xué)理論以及振動和受迫振動方面的問題。梁和建筑開始大量使用鋼筋混凝土材料，這就要求科學(xué)家們對鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在1914 年德國的本創(chuàng)立了轉(zhuǎn)角位移法，用以解決剛架和連續(xù)梁等問題。后來，在2030年代，對復(fù)雜的靜不定桿系結(jié)構(gòu)提出了一些簡易計算方法，使一般的設(shè)計都可以掌握和使用了。到了20 世紀(jì)20 年代，人們又提出了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)想。根據(jù)結(jié)構(gòu)的“極限狀態(tài)”這一概念，學(xué)者們得出了彈性地基上梁、板及剛架的設(shè)計計算新理論。對承受各種動載荷(特別是作用)的結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，也在實(shí)驗(yàn)和理論方面做了許多研究工作。隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，疲勞問題、斷裂問題和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)問題先后進(jìn)入結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究領(lǐng)域。

5、20 世紀(jì)中葉，電子計算機(jī)和有限元法的問世使得大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜計算成為可能，從而將結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究和應(yīng)用水平提到了一個新的高度。學(xué)科體一般對結(jié)構(gòu)力學(xué)可根據(jù)其研究性質(zhì)和對象的不同分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)斷裂、疲勞理論和桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中首先發(fā)展起來的分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。靜載荷是指不隨時間變化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜載荷。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ)。結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)構(gòu)動力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的響應(yīng)和性能的分支學(xué)科動載荷是指隨時間而改變的

6、載荷。在動載荷作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移也必然是時間的函數(shù)。由于涉及時間因素，結(jié)構(gòu)動力學(xué)的研究內(nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜的多。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是研究工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分支?，F(xiàn)代工程中大量使用細(xì)長型和薄型結(jié)構(gòu)，如細(xì)桿、薄板和薄殼。它們受壓時，會在應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)(皺損或曲屈)，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的其他要求，例如影響飛行器的空氣動力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論中最重要的內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論是研究因工程結(jié)構(gòu)不可避免地存在裂紋，裂紋會在外載荷作用下擴(kuò)展而引起斷裂破壞，也會在幅值較小的交變載荷作用下擴(kuò)展而引起疲勞破壞

7、的學(xué)科?，F(xiàn)在對斷裂和疲勞的研究歷史還不長，還不完善，但斷裂和疲勞理論目前得發(fā)展很快。在結(jié)構(gòu)力學(xué)對于各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，針對研究對象還形成了一些研究領(lǐng)域，這方面主要有桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論三大類。整體結(jié)構(gòu)是用整體原材料，經(jīng)機(jī)械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，它對某些邊界條件問題特別適用，常用作變厚度結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，又涌現(xiàn)出許多新型結(jié)構(gòu)，比如20世紀(jì)中期出現(xiàn)的夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。任研究在工程結(jié)構(gòu)（所謂工程結(jié)構(gòu)是指能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組合體，如飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼、橋梁、屋架和承力墻等。）在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的規(guī)

8、律；分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu)，為工程設(shè)計提供分析方法和計算公式；確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)展新型工程結(jié)構(gòu)。觀察自然界中的天然結(jié)構(gòu)，如植物的根、莖和葉，動物的骨骼，蛋類的外殼，可以發(fā)現(xiàn)它們的強(qiáng)度和剛度不僅與材 料有關(guān)，而且和它們的造型有密切的關(guān)系，很多工程結(jié)構(gòu)就是受到天然結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而創(chuàng)制出來的。結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮結(jié)構(gòu) 的強(qiáng)度和剛度，還要做到用料省、重量輕減輕重量對某些工程尤為重要，如減輕飛機(jī)的重量就可以使飛機(jī)航程遠(yuǎn)、上升快、速度大、能耗低。研究方結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法主要有工程結(jié)構(gòu)的使用分析、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計算三種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究中，這面往往是交替進(jìn)行并且是相輔相成的

9、進(jìn)行的。使用分析就是在結(jié)構(gòu)的使用過程中，對結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析比較和總結(jié)，這是易行而又可靠的一種研究。使用分析對結(jié)構(gòu)的評價和改進(jìn)起著重要作用。新設(shè)計的結(jié)構(gòu)也需要通過使用來檢驗(yàn)性能。實(shí)驗(yàn)研究能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計算方法的主要。實(shí)驗(yàn)研究分為三類：模型實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。例如，飛機(jī)地面破壞實(shí)驗(yàn)、飛行實(shí)驗(yàn)和汽車的碰撞實(shí)驗(yàn)等。結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常要耗費(fèi)較多的人力、物力和財力，因此只能有限度地進(jìn)行，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計的初期階段，一般多依靠對結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行理論分析和計算。在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展提供了必要的基本知識，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)又是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，另外結(jié)構(gòu)力學(xué)還與其它物理學(xué)科結(jié)合形成許多邊緣學(xué)科，比如流體彈性力學(xué)等。結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門迅速發(fā)展的學(xué)科。新型工程材料和新型工程結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，向結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究內(nèi)容并提出新的要求。計算機(jī)的發(fā)展，為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了有力的計算工具。另一方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)對數(shù)學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展也起了推動作用。有限元法這一數(shù)學(xué)方法的