什么是结构力学?

什么是结构力学?

[拼音]：jiegou lixue

[外文]：structural mechanics

研究工程结构在外界因素作用下的强度、刚度和稳定性的学科。固体力学的一个分支。主要研究杆系结构，有时也包括板壳结构。

分支学科

结构力学主要包括结构静力学和结构稳定分析。此外还有结构动力分析、结构塑性分析、结构优化设计等内容或分支。

结构静力学

研究结构在静荷载等因素作用下的强度和刚度的学科，是其他分支学科的基础。

（1）计算模型：用来代替实际结构便于力学计算的简化图形称为结构的计算简图或计算模型。选取的原则是反映结构的主要性能，并使计算简化。

（2）几何组成分析：几何形状和位置保持不变（在不计材料应变下）的体系称为几何不变体系。分析的目的是检查并且保证体系的几何不变性。

（3）结构内力分析：强度、刚度等分析都与内力有关。计算各杆的内力（弯距、剪力和轴力），并绘制内力图是结构力学的核心内容，主要有静定结构和超静定结构的内力分析。在荷载作用下，所有支座反力和内力都可由静力平衡条件完全确定的结构称为静定结构。反力和内力不能单由平衡条件全部确定的结构称为超静定结构，亦称静不定结构。

（4）结构位移计算：校核结构的刚度及超静定结构的内力分析均需要计算位移。

（5）影响线：当单位定向荷载在结构上移动时，表示某处某量值随之而变化的图线，称为该量值的影响线。它是计算结构承受移动荷载作用下的内力和位移的基本工具。

结构稳定分析

研究结构在荷载作用下保持平衡状态的学科。结构的平衡状态分为三种。

（1）稳定平衡：结构受到干扰，在稍微偏离其平衡位置后，能够回到原来的位置。

（2）不稳定平衡：偏离继续增大，不能回到原来的位置。

（3）随遇平衡：通常是从稳定平衡向不稳定平衡过渡的中间状态。结构失稳形态分为两种。

（1）分支点失稳：稳定平衡状态经过分支点，结构应力状态发生突然变化，转变为不稳定平衡状态，也称为应力状态失稳。

（2）极值点失稳：结构的位移随荷载的增加而增加，当荷载达到极值点后，即使荷载减小，位移仍继续增大，结构丧失了承载能力，也称承载能力失稳。

研究方法

结构力学的研究方法有理论计算和结构试验两类。理论计算有下列方法。

静力法

静定结构的内力，用平衡条件求解。超静定结构的计算须用平衡条件和变形连续条件。计算的基本方法有力法和位移法。力法以多余约束力作为基本未知量，用变形连续条件建立典型方程并求解。位移法取结点位移作为基本未知量，用平衡条件建立典型方程并求解。从位移法还演变出多种渐近法，其中常用的是力矩分配法。力法和位移法用矩阵表示并运算，分别称为矩阵力法和矩阵位移法。（见结构分析数值方法）

能量法

用能量原理分析结构反应的方法。d性结构在平衡状态下所具有的总势能，恒小于其他满足位移边界条件的位移状态下的势能，称为最小势能原理。它等价于平衡条件，与位移法相通。d性结构在真实状态下所具有的总余能，恒小于其他满足平衡条件的内力状态下的余能，称为最小余能原理。它等价于变形连续条件，与力法相通。能量法可用于求解结构的静力、动力、稳定和非线性分析等问题。

结构位移计算常用基于虚功原理的方法。虚功原理可叙述为：平衡力系在独立无关的位移协调系的位移上所作的外虚功等于内虚功。

水利工程中的应用

在水利工程中，例如水电站厂房骨架，闸门梁格系统，涵洞和隧洞，渡槽和桥梁等结构物，为了保证安全、经济和适用的要求，须用结构力学的理论和方法进行设计和计算。在板壳结构分析中，也常简化为杆系结构，把板壳力学问题简化为结构力学问题。例如基础板和拱坝分别简化为基础梁和多拱梁系统等。

发展方向

结构力学的发展方向主要有：

（1）非线性分析，包括材料和几何非线性静、动力问题的研究。

（2）复杂工作状态，包括空间结构、结构与周围介质的静力和动力相互作用的研究。

（3）结构优化设计、结构软件系统的研究与计算机辅助设计 (CAD)。

（4）基于概率统计理论的结构可靠度分析等。

参考书目

华东水利学院结构力学教研组编：《结构力学》，上册，水利出版社，北京，1981；下册，水利电力出版社，北京，1983。龙驭球、包世华主编:《结构力学》，上册、下册，人民教育出版社，北京，1979、1981。