感知结构概念(中文版)

1、感知结构概念季天健，AdrianBell著layIor&FrancisTaylor&FrancisGroupLONDONANDNEWYORK心亠序言:在朗文当代英语大辞典中，“概念”被定义为原理或观点。原理是指那些已经被认可的、并可作为推理或行动基础的事实和信念。在土木工程领域，结构概念是学习，分析和设计的重要基础。对于学生、教师和工程师来说，理解结构概念、讲解结构概念，以及在工程中应用结构概念都是非常重要的。因此在高校中应加强结构概念的教学，以适应在学习和工作中面临的变化和挑战。过去，结构概念通常是通过手算和工程经验积累获得的。而现在，大量的手算工作已被计算机取代，这就需要借助新的方式来获取

2、结构概念。对于结构概念的理解是非常重要的，它是设计合理而富有创新性的结构（建筑、桥梁等）的基础。随着计算机的广泛应用，人们往往对计算机分析结果给予过分的信任。事实上，尽管计算机分析结果在数学上是正确的，但是如果采取了不正确的假设和模型，其结果仍可能存在缺陷和错误。过分依赖计算机，这也是建筑行业对刚毕业大学生的批评原因之一。一般来说，这些刚毕业的学生善于使用计算机，却无法判断计算机分析结果是否正确。这可能说明他们在大学学习期间可能没有充分掌握基本的结构概念。结构概念和原理是抽象的，无法被直接看到或感觉到。例如，传力路径反映了荷载从其作用点传递到了结构支座的过程；共振描述了当动荷载的频率等于结构固

3、有频率时结构的振动特征。如果这样的原理可以被观察到或触摸到，学生就能够更好的掌握和记住它们。教科书通常不提供工程实例来说明结构概念的应用情况。如果教师们可以讲授一些相关的工程实例，并且适当的将研究工作引入到教学中，势必会激发学生的兴趣，提高他们对结构概念的理解程度。课堂实践表明，相对于用语言或黑板/投影/幻灯片等方式来讲解，学生们更喜欢通过实物来演示；相对于课本上的例题，学生们对于应用概念来解决工程问题的实例更有兴趣。通过直接触摸以及将概念和模型与实际工程问题联系起来，有效地提高了学生的学习积极性。在这样的背景下，我们一直在发展我们所称为的“看得见摸得着的结构概念”，并将其作为传统课堂教与学的

4、补充。为实现这个目标，我们采取了以下三种方式。在传统教学中，提供一系列简单的模型演示来说明结构概念和原理，以使学生更好地理解这些概念。我们首先找出那些可以用实物和模型来演示的结构概念，然后设计、制作出简单且适合于课堂使用的演示模型来解释这些概念。在可能的情况下，还鼓励学生来帮助设计和制造这些模型。通过相关的工程实例来说明结构概念和原理的应用，以帮助学生在理论知识和实践之间架起一座桥梁。通过观察结构概念如何被应用到实际结构设计中，学生们对学习产生了真正的兴趣，对结构概念得到了更好的理解。我们已经找到了一些可以在实践中应用的工程实例。此外我们还研究了那些导致倒塌的失败设计，这些例子正好说明了错误理

5、解结构概念造成的后果。将科研成果，特别是那些包含结构概念的科研成果适当引入到教材中，以加强现有的教学内容。科研和教学在高校中往往是独立进行的，这使得科研成果和本科教学之间联系并不总能得到发展。在本书中，那些和结构概念有关或和阐述结构概念的研究成果，已经通过模型演示和工程实例相联系的方式应用到课堂教学中。例如，设计刚度更大的结构的概念，结构振动中的人体模型，以及用竖向荷载引起的框架结构水平移动等都在书中有所介绍。我们已经开发了许多实物模型来阐述结构概念，并总结了大量的工程以及日常生活的实例来说明这些概念的使用。这些模型和实例在教科书中通常是没有的，但却是对教与学的有益补充，因为实物模型和应用实例

6、往往可以帮助学生很快的掌握和记住相应的概念。本书中的例子将结构概念、简单的模型演示和工程实例有机的结合在一起，有助于教师授课，也会是建筑与结构工程专业的学生以及工程设计人员收益。希望通过对本书的学习能激发读者的兴趣，去寻找更多的结构概念以及他们的应用。第一部分静力学1.平衡定义和概念平衡：处于静止不动（或匀速直线运动）状态的物体，可称其处于平衡状态。稳定平衡：如果物体在微小绕到状态下势能增加，而扰动撤除后又会回到初始平衡位置，则称物体处于稳定平衡状态。不稳定平衡:如果物体在微小扰动状态下偏离初始平衡位置，则称其处于不稳定平衡状态。如果物体处于平衡状态，无论作用其上的力的大小和方向如何，物体所受

7、到的作用力之和和反作用力之和总是相等，或作用在该物体上的合力为零。如果物体处于平衡状态，作用在物体上的合力矩（无论是关于哪一点）均为零。理论背景刚体：在外力作用下处于平衡状态的物体，如果物体的变形不影响其平衡位置及作用力的大小方向，则该物体可视为刚体。内力：作用在物体内部各微元之间，大小相等、方向相反且成对出现的力称为内力。物体中的内力之和为零，因此在考虑物体的整体平衡时不必考虑内力的影响。外力：作用在物体表面并且分布于接触面上的力称为外力。当接触面积相对于物体表面积足够小时，外力可被理想化为作用在物体表面某一点上的集中力。分布式外力的一个典型例子是作用在建筑面墙面上的风荷载，而作用在桥面板上

8、的车辆荷载则可被认为是集中力，因为车辆荷载是通过车轮将其重量传递给桥面的，车轮与桥面的接触面积相对于桥面面积而言足够小。力矩：使物体产生转动效应的力称为力矩，它既可以是内力，也可以是外力。一对大小相同、方向相反的平行力称为力偶，其距等于力的大小与平行力之间垂直距离的乘积。体力：地球引力对物体的作用称为体力或称物体自重。体力与其他外力的区别在于可以通过非垂直接触的方式产生。自重在结构设计中是非常重要的。例如混凝土楼板的自重就可能大于由人和家具等在楼板上产生的作用力。除自重外，体力也可由磁场或电场的作用产生。支座反力：在支座或物体间接触点上产生的力称为支座反力。支座的作用是阻止物体运动，不同类型的

9、支座能够阻止不同类型的运动。对于平面结构，实际上主要用到的支座类型有：固定绞支座：限制物体沿两允许物体绕铰支座转滑动铰支座：限制物体沿某一方向的平动，但允许物体沿与限制方向垂直的另一方向平动及绕支座转动。固定支座：限制物体在两个相互垂直方向的平动和饶支座的转动。（a）Pinsupports（b）Rollersupports（c）FixedsupportsFigure1.1Examplesofsupportconditions*冈Q体的平衡条件：当一刚体处于静止不动的平衡状态时。作用在刚体上的所有的力F和力矩M对该刚体的影响可以相互抵消。假设所有的力和力矩都作用在xy平面内，则刚体的平衡条件可以

10、用三个标量平衡方程来表达：SFx=0,LFy=0,LMa=0（1.1）方程（1.1）表明：沿x和y方向的合力为零，饶平面内任意一点的合力矩为零。对一个平衡问题，可以用这三个平衡方程求解三个未知量，例如单个物体在xy平面内的支座反力。隔离体受力图：是指用图形的方式表示物体（或物体的一部分）所受到的来自其他物体的（或物体的其他部分）的力。通过受力图可以完整、清晰地表示出作用在该物体上的全部力，因此画隔离体受力图是一项十分重要和必要的技能。1.3模型演示1.3.1作用力与反作用力本模拟实验演示了例1.1的结论，即：不论外力作用在何位置，支座反力之和总等于外力W。当外力W作用在两支座中的一个上时，该支座的反力与外力大小相等方向相反，而另一个支座的反力为零。图1.3a所示为一个两端由台秤支撑的木梁，梁安置好后使台秤归零。将质量为454g的砝码分别放在梁上的三个不同位置，并记下台秤的读数。可以发现：1）当砝码位于梁的不同位置上时