绪论

工程力学是研究工程结构的受力、承载能力的基本原理和方法的科学。它是工程技术人员从事结构设计和施工所必须具备的理论基础。

在水利建筑、房屋建筑和道路桥梁等各种工程的设计和施工中都涉及工程力学问题。为了承受一定荷载以满足各种使用要求,需要建造不同的建筑物,如水利工程中的水闸、水坝、水电站、渡槽、桥梁、隧洞等,土木建筑工程中的屋架梁、板、柱和塔架等。

在建筑物中承受荷载并起到骨架作用的部分称为结构。组成结构的各单独部分称为构件。结构是由若干构件按一定方式组合而成的。例如：支撑渡槽槽身的排架是由立柱和横梁组成的刚架结构,如图0-1(a)所示；支撑弧形闸门面板的腿架是由弦杆和腹杆组成的桁架结构,如图0-1(b)所示；电厂厂房结构由屋顶、楼板和吊车梁、柱等构件组成,其屋顶是由板、次梁和主梁组成的肋形结构,如图0-1(c)所示。结构受荷载作用时,若不考虑建筑材料的变形,其几何形状和位置不会发生改变。

结构按其几何特征可分为以下三种类型：

(1)杆系结构：由杆件组成的结构。杆件的几何特征是其长度远远大于横截面的宽度和高度。

(2)薄壁结构：由薄板或薄壳构成的结构。板或壳的几何特征是其厚度远远小于另外两个方向的尺寸。

(3)实体结构：由块体构成的结构。块体的几何特征是三个方向的尺寸相近,基本为同一数量级。

工程力学的主要研究对象是杆系结构。

一、工程力学的任务和研究内容

工程力学的任务是进行结构的受力分析,分析结构的几何组成规律,解决在荷载作用下结构的强度、刚度和稳定性问题,即解决结构和构件所受荷载与其自身的承载能力这一对基本矛盾。研究平面杆系结构的计算原理和方法,为结构设计合理的形式,其目的是保证结构按设计要求正常工作,并充分发挥材料的性能,使设计的结构既安全可靠又经济合理。

进行结构设计时,首先须知道作用在结构和构件上的各种荷载,即进行受力分析。

结构设计要求各构件必须按一定规律组合,以确保在荷载作用下结构的几何形状和位置不发生改变,即进行结构的几何组成分析。

结构正常工作必须满足强度、刚度和稳定性的要求,即进行其承载能力计算。

强度是指结构和构件抵抗破坏的能力。满足强度要求即要使结构或构件正常工作时不发生破坏。

刚度是指结构和构件抵抗变形的能力。满足刚度要求即要使结构或构件正常工作时产生的变形不超过允许范围。

稳定性是指结构或构件保持原有平衡状态的能力。满足稳定性要求即要使结构或构件在正常工作时不突然改变原有平衡状态,以致因变形过大而破坏。

结构在安全正常工作的同时还应考虑经济条件,应充分发挥材料的性能,不至于产生过大的浪费,即设计结构的合理形式。

工程力学的研究内容包含以下几个部分：

(1)工程力学基础。是工程力学中重要的基础理论,其中包括物体的受力分析、力系的简化与平衡等刚体静力学基础理论。

(2)杆件的承载能力计算。是结构承载能力计算的实质,其中包括基本变形杆件的内力分析和强度、刚度计算,压杆稳定和组合变形杆件的强度、刚度计算。

(3)静定结构的内力分析。是静定结构承载力计算和超静定结构计算的基础,其中包括研究结构的组成规律、静定结构的内力分析和位移计算等。

(4)超静定结构的内力分析。可按杆件承载力计算方法进行超静定结构的强度和刚度等计算,其中包括力法、位移法、力矩分配法等求解超静定结构内力的基本方法。

二、工程力学的研究方法

自然界中的物体及工程中的结构和构件,其性质是复杂多样的。不同学科只是从不同角度去研究物体性质的某一个或几个侧面。为使所研究的问题简化,常略去对所研究问题影响不大的次要因素,只考虑相关的主要因素,将复杂问题抽象化为只具有某些主要性质的理想模型。工程力学中将物体抽象化为两种计算模型：刚体和理想变形固体。

刚体是在外力作用下形状和大小都不改变的物体。实际上,任何物体受力作用后都会发生一定的变形,但在进行结构和构件的受力分析及体系几何组成分析时,变形这一因素不影响所研究问题的性质,这时可将物体作为刚体处理。

理想变形固体是对实际变形固体的材料作出一定假设,将其理想化。在进行结构的内力分析和杆件的承载能力计算时,其变形是不可忽略的主要因素,这时应将其作为理想变形固体。理想变形固体材料的基本假设如下：

(1)连续均匀假设。连续是指材料内部没有空隙,均匀是指材料的性质各处相同。连续均匀假设即认为物体的材料无空隙地连续分布,且各处性质均相同。

(2)各向同性假设。认为材料沿不同方向的力学性质均相同。具有这种性质的材料称为各向同性材料,而各方向力学性质不同的材料称为各向异性材料。

按照上述假设理想化了的一般变形固体称为理想变形固体。刚体和理想变形固体都是工程力学研究中必不可少的理想化的力学模型。

变形固体受力作用产生变形。撤去荷载可完全消失的变形称为弹性变形。撤去荷载不能恢复的变形称为塑性变形或残余变形。在多数工程问题中,要求构件只发生弹性变形。工程中大多数构件在荷载作用下产生的变形量若与其原始尺寸相比很微小,称为小变形,否则称为大变形。小变形构件的计算,可采取变形前的原始尺寸并略去某些高阶微量,以达到简化计算的目的。

综上所述,工程力学中把所研究的结构和构件作为连续、均匀、各向同性的理想变形固体,在弹性范围内和小变形情况下研究其承载能力。

由于采用以上力学模型,大大方便了理论的研究和计算方法的推导。尽管所得结果只具有近似的准确性,但其精确程度可满足一般的工程要求。应该指出,实践是检验真理的唯一标准,任何假设都不是主观臆断的,而必须建立在实践的基础之上。同时,在假设基础上得出的理论结果,也必须经过实践的验证。工程力学的研究方法,除理论方法外,试验也是很重要的一种方法。

三、荷载的分类

结构在工作时所承受的其他物体作用的主动外力称为荷载。荷载可分为不同类型。

(1)按作用的性质不同可分为静荷载和动荷载。

缓慢地加到结构上的荷载称为静荷载。静荷载作用下结构不产生明显的加速度。

大小、方向随时间而变的荷载称为动荷载。地震力、冲击力、惯性力等都为动荷载。在动荷载作用下,结构上各点产生明显的加速度,结构的内力和变形都随时间而发生变化。

(2)按作用时间的长短可分为恒荷载和活荷载。

永久作用在结构上且大小、方向不变的荷载称为恒荷载。固定设备、结构的自重等都为恒荷载。

暂时作用在结构上的荷载称为活荷载。风荷载、雪荷载等都为活荷载。

(3)按作用的范围可分为集中荷载和分布荷载。

若荷载作用的范围与构件的尺寸相比很小,可认为荷载集中作用于一点,称为集中荷载。车轮对地面的压力、柱子对面积较大的基础的压力等都为集中荷载。

分布作用在体积、面积和线段上的荷载称为分布荷载。结构自重、风荷载、雪荷载等都为分布荷载。

当以刚体为研究对象时,作用在结构上的分布荷载可用其合力(集中荷载)代替,以简化计算；但以变形体为研究对象时,作用在结构上的分布荷载不能用其合力代替。

四、力学在工程中的应用实例

工程力学是研究工程结构的受力分析、承载能力的基本原理和方法的科学。它是从事道路桥梁工程技术、建筑工程技术、水利水电建筑工程、水利工程等专业的工程技术人员必须具备的理论基础,是一门重要的专业基础课。

谈到工程力学,读者肯定就要问,什么是工程力学?在中学里学的物理不是介绍过力学的知识吗?进入大学里为什么还要学习工程力学呢?下面给大家解释什么是工程力学,工程力学在我们学的工程中有什么重要应用。首先来看看生活中我们身边发生的一些事情。

1986年1月28号,美国挑战者号航天飞机升空,仅仅1分12秒就爆炸了,后来,经过美国太空总署的调查,发现导致这起几十亿美金的航天飞机的坠毁和7名宇航员遇难的罪魁祸首,是一个小小的橡皮圈,而这橡皮圈的失效就是它力学性能的失效。正是在研制这个橡皮圈的时候没有考虑到温度对材料的力学特性的影响,导致了这场灾难。

1940年,美国西海岸华盛顿州建成了当时位居世界第三的塔科马大桥。它是一个悬索桥,当时桥梁的设计师设计这座桥可以抵抗60m/s的风速,然而非常不幸,桥造好刚刚4个月,就在19m/s的小风的吹拂下倒塌掉了。非常巧合,当时好莱坞有个电影队正在这个桥边拍电影,摄像机头把这个大桥整体的坠落过程全拍下来了,使得我们今天能够看到这个过程,破坏过程如图0-2所示。大家觉得很不可思议,这么小的风就把一座大桥吹倒了,什么原因?大家首先想到的是施工有问题,于是桥梁专家们进行了详细的事故调查,发现没有偷工减料等施工问题。难道是设计存在缺陷?组成的桥梁专家又对设计图纸进行了详细的研究和论证,也没有发现什么问题。最后,不是由桥梁专家,而是由一部分航空工程师通过桥梁模型的风洞实验找到了原因。与此同时,以我国杰出的科学家钱学森的老师冯·卡门为代表的空气动力学家认为,塔科马桥的主梁有着钝头的H型断面,和流线型的机翼不同,存在着明显的涡流脱落,应该用涡激共振机理来解释。直到1963年,美国斯坎伦(R.Scanlan)教授提出了钝体断面的分离流自激颤振理论,才成功地解释了造成塔科马大桥风毁的致振机理,并由此奠定了桥梁颤振的理论基础。虽然塔科马大桥风毁的原因超过了本书所介绍的内容,但是这个著名的大桥风毁事件说明,如果我们搞工程的不懂力学知识,那将是一件多么可怕的事情。

回到古代建筑的辉煌成就中,如埃及的金字塔,中国的万里长城、河北赵县赵州桥、北京故宫等,这些结构中隐含的工程力学知识,在后面的学习中都会详细提到。

建筑的发展和力学更是密不可分的,可以说没有可靠的力学与结构分析就没有安全而又实用的优秀建筑。尤其是对于现代建筑的意义更为重要,每一座好的建筑在建造前都要通过很多次的实验验证与安全评估,否则将产生诸多不好的后果,损失难以估计。

首先是建筑结构的合理性,如何在实际情况下选取合适节省材料的结构方式完成工程很重要。尤其要考虑到安全因素,从整体的静力分析到有限单元的桁架与混凝土结构,再到外部环境因素,如风载荷、地震波、特殊场地的特殊设计要求等,这些都是我们要关注的。生活中常常可以看到某些高层建筑物在地震发生时由于不合理的结构设计导致建筑物底部支撑柱疲劳断裂。这说明我国很多建筑物在建设结构设计时存在许多不合理现象。这应该是我们现代工程及建筑设计该思考的地方。

其次是建筑物材料的选取应得当,这对建筑物质量和性能将产生本质的影响。不同的材料有着不同的强度、刚度、稳定性等,在工程应用中要通过各种计算和软件及实验进行模拟,使材料在实际环境中安全正常的工作。如何用最少的材料建造最安全实用的房屋是有一套完整有序的过程的,通过对建筑结构模型的力学分析,如它的内力分析、应力分析、抗弯能力、实用载荷大小、弹性性能、震动要求等。尤其在一些大型桥梁建筑中使用的钢结构梁和拉杆等,在长期的负载作用下如何保持结构的受力平衡和稳定,在建造过程中的步骤和难点都应该预计得到,如钢筋混凝土的选择,斜拉杆的分布及个数的多少,这些都对工程的施工和寿命有影响。所以做工程建造前必须有着严密的计算分析与可能出现情况的充分准备及解决方案,这是每个工程建设人员必备的力学素养。

最后是对工程实际环境的考察和科学估计。如高原与平原的不同；高山与土层的分布、风载荷、地震、雨水、冷湿等自然因素的考量；有些甚至要考虑到特殊的人文需要,如建造地铁时我们必须避开高大建筑层和易塌方段。在我国的青藏铁路建设中,为了保证铁路地基的长年冷冻状态,在铁路两旁的地基中插入了数千根散热棒,否则地基会由于长期的工作解冻坍塌使得铁轨受力不均,进而可能造成不可预计的损失。这些都是在实际工程中要考虑和解决的问题,只有正确地通过各种科学手段我们才能把一座座优美坚固的建筑呈现在大地上。

工程力学的知识几乎应用到了所有角落。土木工程是随着人类文明的进步发展起来的,正确的理论、巧妙的实验方法同等重要。近年来,随着计算机的发展,力学分析软件的开发,有限单元法的使用等极大地促进了复杂结构的力学分析和复杂问题的计算。掌握最基本的力学分析方法和培养良好的科学习惯尤为重要,为以后的学习和工作打下坚实的基础。