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建筑工程概述之工程力學(xué)

2008-08-10 11:40    【  【打印】【我要糾錯】

  工程力學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)宏觀運(yùn)動規(guī)律,及其應(yīng)用的科學(xué)。工程給力學(xué)提出問題,力學(xué)的研究成果改進(jìn)工程設(shè)計(jì)思想。從工程上的應(yīng)用來說,工程力學(xué)包括:質(zhì)點(diǎn)及剛體力學(xué),固體力學(xué),流體力學(xué),流變學(xué),土力學(xué),巖體力學(xué)等。

  人類對力學(xué)的一些基本原理的認(rèn)識,一直可以追溯到史前時代。在中國古代及古希臘的著作中,已有關(guān)于力學(xué)的敘述。但在中世紀(jì)以前的建筑物是靠經(jīng)驗(yàn)建造的。

  1638年3月伽利略出版的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》被認(rèn)為是世界上第一本材料力學(xué)著作,但他對于粱內(nèi)應(yīng)力分布的研究還是很不成熟的。

  納維于1819年提出了關(guān)于粱的強(qiáng)度及撓度的完整解法。1821年5月14日,納維在巴黎科學(xué)院宣讀的論文《在一物體的表面及其內(nèi)部各點(diǎn)均應(yīng)成立的平衡及運(yùn)動的一般方程式》 ,這被認(rèn)為是彈性理論的創(chuàng)始。其后,1870年圣維南又發(fā)表了關(guān)于塑性理論的論文水力學(xué)也是一門古老的學(xué)科。

  早在中國春秋戰(zhàn)國時期(公元前5~前4世紀(jì)),墨翟就在《墨經(jīng)》中敘述過物體所受浮力與其排開的液體體積之間的關(guān)系。歐拉提出了理想流體的運(yùn)動方程式。物體流變學(xué)是研究較廣義的力學(xué)運(yùn)動的一個新學(xué)科。1929年,美國的賓厄姆倡議設(shè)立流變學(xué)學(xué)會,這門學(xué)科才受到了普遍的重視。

  土力學(xué)在二十世紀(jì)初期即逐淅形成,并在40年代以后獲得了迅速發(fā)展。在其形成以及發(fā)展的初期,泰爾扎吉起了重要作用。巖體力學(xué)是一門年輕的學(xué)科, 二十世紀(jì)50年代開始組織專題學(xué)術(shù)討淪,其后并已由對具有不連續(xù)面的硬巖性質(zhì)的研究擴(kuò)展到對軟巖性質(zhì)的研究。巖體力學(xué)是以工程力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)兩門學(xué)科的融合而發(fā)展的。

  從十九世紀(jì)到二十世紀(jì)前半期,連續(xù)體力學(xué)的特點(diǎn)是研究各個物體的性質(zhì),如粱的剛度與強(qiáng)度,柱的穩(wěn)定性,變形與力的關(guān)系,彈性模量,粘性模量等。這一時期的連續(xù)體力學(xué)是從宏觀的角度,通過實(shí)驗(yàn)分析與理論分析,研究物體的各種性質(zhì)。它是由質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的定律推廣到連續(xù)體力學(xué)的定律,因而自然也出現(xiàn)一些矛盾。

  于是基于二十世紀(jì)前半期物理學(xué)的進(jìn)展 ,并以現(xiàn)代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),出現(xiàn)了一門新的學(xué)科——理性力學(xué)。1945年,賴納提出了關(guān)于粘性流體分析的論文,1948年,里夫林提出了關(guān)于彈性固體分析的論文,逐步奠定了所謂理性連續(xù)體力學(xué)的新體系。

  隨著結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的進(jìn)步,工程學(xué)家也同力學(xué)家和數(shù)學(xué)家一樣對工程力學(xué)的進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。如在桁架發(fā)展的初期并沒有分析方法,到1847年,美國的橋梁工程師惠普爾才發(fā)表了正確的桁架分析方法。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用,新型材料的研究,新的施工技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的應(yīng)用等,促使工程力學(xué)日新月異地發(fā)展。

  質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系及剛體力學(xué)是理論力學(xué)的研究對象。所謂剛體是指一種理想化的固體,其大小及形狀是固定的,不因外來作用而改變,即質(zhì)點(diǎn)系各點(diǎn)之間的距離是絕對不變的。理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)是牛頓定律,它是研究工程技術(shù)科學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)。

  固體力學(xué)包括材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)以及斷裂力學(xué)等。尤其是前三門力學(xué)在土木建筑工程上的應(yīng)用廣泛,習(xí)慣上把這三門學(xué)科統(tǒng)稱為建筑力學(xué),以表示這是一門用力學(xué)的一般原理研究各種作用對各種形式的土木建筑物的影響的學(xué)科。

  在二十世紀(jì)50年代后期,隨著電子計(jì)算機(jī)和有限元法的出現(xiàn),逐漸形成了一門交叉學(xué)科即計(jì)算力學(xué)。計(jì)算力學(xué)又分為基礎(chǔ)計(jì)算力學(xué)及工程計(jì)算力學(xué)兩個分支 ,后者應(yīng)用于建筑力學(xué)時,它的四大支柱是建筑力學(xué)、離散化技術(shù)、數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)軟件。其任務(wù)是利用離散化技術(shù)和數(shù)值分析方法,研究結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算機(jī)程序化方法,結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和結(jié)構(gòu)分析圖像顯示等。

  如按使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應(yīng)的作用性質(zhì)分類,工程力學(xué)的許多分支都可以 再分為靜力學(xué)與動力學(xué)。例如結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與結(jié)構(gòu)動力學(xué),后者主要包括:結(jié)構(gòu)振動理論、波動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性理論。由于施加在結(jié)構(gòu)上的外力幾乎都是隨機(jī)的,而材料強(qiáng)度在本質(zhì)上也具有非確定性。

  隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,20世紀(jì)50年代以來,概率統(tǒng)計(jì)理論在工程力學(xué)上的應(yīng)用愈益廣泛和深入,并且逐漸形成了新的分支和方法,如可靠性力學(xué)、概率有限元法等。

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