结构工程的历史发展

结构工程的历史发展

(1)

结构工程是人类文明的脊梁。

科技史选讲

武际可编:科技史选讲之十二.(1)

士7龙在、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

武际可编:科技史选讲之十三U)

合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。

武际可编:科技史选讲之十二(1)

命所谓建筑，一要实用、舒适、好看；二要

安全、经济。

参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。

武际可编:科技史选讲之十二(1)

•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。

般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t的钢厂。

武际可编:科技史选讲之十三(1)5

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**。

命具体来说，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。

令木结构不耐火，所以我国存世古建筑历

史很长的不多。

武际可编:科技史选讲之十三(1)6

古希腊雅典卫城的门口

注：以下不少图片取自

WilliamG.GoddenStructuralEngineeringSlide

Library

宙斯神庙已经倒塌的石柱

武际可编:科技史选讲之十三(1)8

雅典女神庙

古罗马的农神庙

武际可编:科技史选讲之十二(1)

罗马圣彼德广场之一角

武际可编:科技史选讲之十三(1)11

故宫午门北面

武际可编:科技史选讲之十二(1)

五台山显通寺内无梁殿

用砖砌成的仿木结构

武际可编:科技史选讲之十三(1)13

北京天坛祈年殿

武际可编:科技史选讲之十三(1)14

应

县

佛

宫

寺

释

迦

塔

(1)

十二

讲之

史选

:科技

可编

武际

武际可编:科技史选讲之十二(1)17

河北赵县赵州桥

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古罗马的拱桥

武际可编:科技史选讲之十三(1)20

西安

大雁塔

武际可编:科技史选讲之十.(1)21

意大利比萨斜塔

武际可编:科技史选讲之十三(1)22

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。

像伽利略在他《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。

⑥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。

参雅科比•伯努利(JacobBernoulli,1654—1705)关

于梁的研究，这就是现今人们所称的伯努利梁

理论。

武际可编:科技史选讲之十二(1)

达•芬奇

自画像

武际可编:科技史选讲之十二"1)

武际可编:科技史选讲之十二(1)

雅科比

・伯努利

Jacob

Bernoulli

1654-1705

武际可编:科技史选讲之十二(1)

2.混凝土的简史

01774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0.Aspdim,1779-

1885)取得了烧制水泥的专利，因其与波特兰地方

的石材很相进，所以称为波特兰水泥。

⑥法国1840、德国1855设水泥厂。

令1970年世界每人每年使用水泥156公斤。

武际可编:科技史选讲之十三(1)28

混凝土静定桥

武际可编:科技史选讲之十三(1)29

预应力钢筋混凝土

武际可编:科技史选讲之十二(1)30

3.钢铁材料

今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。

武际可编:科技史选讲之十三(1)33

布瑞塔尼亚大桥(1846,铁管)

武际可编:科技史选讲之十三(1)34

巴黎跨赛纳河的亚力山大桥

苏格兰铁路桥

武际可编:科技史选讲之十三(1)36

支座部位

令

武际可编:科技史选讲之十.(1)37

世界贸易双塔楼

武际可编:科技史选讲之十二(1)40

武际可编:科技史选讲之十二(1)

武际可编:科技史选讲之十三(1)44

网架结构

命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。

翁由于分析它的应力，未知量很多，所以

发展较晚，到20世纪60年代后才广泛使

用。

武际可编:科技史选讲之十二(1)46

网架结构

网架结构

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网架结构

武际可编:科技史选讲之十.(1)49

悬索结构

♦最早的吊桥在9世纪70年代就在英国出现

了。

卷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。

武际可编:科技史选讲之十三(1)

华盛顿的悬索网展览厅

展览厅内部

武际可编:科技史选讲之十三(1)52

悬索的

固定处

武际可编:科技史选讲之十二(1)53

伦敦阿尔伯特吊桥

武际可编:科技史选讲之十二(1)54

阿尔伯特吊桥上便步走公告

令

武际可编:科技史选讲之十二(1)55

金门大桥

武际可编:科技史选讲之十二(1)56

广州虎门大桥

武际可编:科技史选讲之十二(1)

温哥华附近的斜拉桥

武际可编:科技史选讲之十三(1)61

斜拉桥拉杆根部的减振器

武际可编:科技史选讲之十三(1)62

武际可编:科技史选讲之十二(1)

结构工程的历史发展⑵

科技史选讲

武际可编:科技史选讲之卜三＜2)1

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。

-2()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O

■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。

武际可编困•技史选讲之十三(2)2

圣•路易斯机场

武际可编:科技史选讲之I-：<2)3

武际可编:科技史选讲之十三＜2)6

武际可编:科技史选讲之十三＜2)8

武际可编:科技史选讲之十三＜2)10

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。

武际可编:科技史选讲之+•三（2）11

纳维

Navier,claude-Louis-

Marie-Henri

1785-1836

从1819年起，他在桥梁道

路学院讲授应用力学，但

到1830年才正式被聘任。到

1830年，他到巴黎综合工科

学校去替柯西任微积分和

力学教授。纳维于1824年当

选为法国科学院院士。纳

维在力学上最重要的贡献

是他作为连续介质力学的

先驱者。

武际可编:科技史选讲之十三＜2）12

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♦一乐甫假设。

武际可编:科技史选讲之十三(2)13

基尔霍夫

Gustav

Robert

Kirchhoff

1824-1887

武际可编:科技史选讲之十三＜2)14

泊松

SimonDenis

Poisson

1781-1840

泊松的研究工作主

要特点是利用数学

|方法去处理复杂的

力学与物理问题。

武际可编:科技史选讲之I：<2)15

柯西

Cauchy

Augustin

Louis

1789—1857

的奠基者。

武际可编:科技史选讲之十三<2)16

圣维南

Saint-Venant,

Adhemar

JeanClaude

Barre,de.

1797-1886

在材料力学和弹

性力学方面作出

很大贡献。

武际可编:科技史选讲之I：<2)17

乐甫

Augustus

Edward

Hough

Love

1863-1940

武际可编:科技史选讲之十三<2)18

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,l847-1884)得至汗卡斯蒂利

亚诺定理。

武际可编:科技史选讲之十三＜2)20

马

克

斯

威

尔

＜2)

十三

讲之

史选

:科技

可编

武际

问题

其它

中的

力学

固体

波

动与

■振

题

劳问

的疲

材料

论与

度理

■强

析

力分

验应

■实

性力学

■塑

裂力学

■断

题

触问

■接

问题

重要

学的

性力

■弹

22

＜2)

十三

讲之

史选

:科技

可编

武际

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。

武际可编:科技史选讲之十三(2)26

陕西褒河石门水库

交

叉

管

道

应

的

分

力

析

武际可编:科技史选讲之十三＜2)28

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。

武际可编:科技史选讲之十三（2）30

唐

山

市

路

北

区

震