工程结构设计理论

工程结构设计理论

工程结构设计理论- 工程结构设计理论主要解决工程结构产生的各种作用效应与结构材料抗力之间的关系,涉及到有关结构上的作用、结构抗力、结构可靠度和结构设计方法及优化设计等方面的问题。

发展过程中人类为谋生存，自穴居、筑巢以至进行筑路架桥等营造活动以来，凭借直接的实践经验，利用各种天然材料构筑了无数工程结构物。通过千百年的工程实践，积累经验，编成工作口诀与成规，在工匠或行会中流传沿用，经过漫长的重复实践的历程，才逐步认识和总结出一些结构建造的规律，并编写了同技术条例一样的一些成文和著作。中国宋朝的《营造法式》就是一部很宝贵的从经验中总结出来的古代木结构规范，具有一定的设计理论萌芽，其部分内容沿用至今。

人们公认现代工程结构设计理论的奠基人是意大利学者伽利略，他的《关于两门新科学的谈话和数学证明》论文被公认为是材料力学的开端。从此，结构设计开始由定性的评述转移到定量的分析，理论分析与试验研究也开始被自觉地应用到结构设计中。

工程结构设计理论的发展经历了种种演变。最早以承载能力直接试验开始。19世纪以来，由于较理想的弹性材料（钢材）的广泛应用和弹性分析的力学方法的发展，采用容许应力设计法，这种方法在工程结构设计中统治了100余年。直至20世纪30年代,人们注意到结构的破坏分析和材料的塑性性能与结构破坏强度有直接关系，因而破坏强度设计法受到重视，并得到发展和应用。在此基础上,从50年代初期起,随着对荷载、材料性能、结构抗力的研究不断深入，在对荷载值与材料强度值分别考虑以概率取值的情况下，结构极限状态设计理论和多系数极限状态设计方法渐渐得到发展和应用。从70年代起，以考虑作用效应与结构抗力联合概率分布为特点的，以概率理论为基础的极限状态设计法逐步得到发展，并陆续进入实用阶段；目前仍在继续完善与发展中。中国从50年代以来,在发展应用结构极限状态设计中,系统地进行了建筑结构设计方法和结构可靠度分析的研究，并在各种建筑结构方面制定了建筑结构设计统一标准和结构设计规范等一系列技术文件。

工程结构实践的需要是设计理论发展的主要推动力。中国自1949年以来，大量工业与民用建筑及桥梁、港口、水坝等工程的兴建，有力地推动了结构设计理论的发展；唐山地震促进了中国的工程抗震设计理论的研究和发展；近海石油的开发推动了海洋工程结构设计理论的研究与发展。

展望由于现代电子计算机技术与测试技术的广泛应用，工程结构设计理论也将更快的发展。以下是几个值得重视的方面：①随机分析。荷载、地震、波浪等都是某种与时间有关的随机过程，而材料抗力的诸因素也大部分是某种随机变量。因此，今后结构的设计理论将愈来愈多地应用概率论进行分析计算，结构可靠度研究也将不断地向更高水准深入。②动态分析。严格地说，结构上的作用都是随时间而变化的。动态作用是绝对的。由于动态作用既与时间又与结构的动力特性有关，因而像抵抗地震、爆炸、波浪荷载等的结构采用静态设计已不能反映结构的真实情况。③非线性分析。结构在反复荷载作用下或在大变形条件下需要考虑材料进入非线性阶段的性能。此外，结构在较大变形条件下还有几何非线性问题，以及对抗震结构需考虑结构利用的延性以消耗动能等问题。④结构的整体分析。目前结构设计常是将结构分解为单个构件或单个平面结构后进行计算。随着电子计算机技术的发展，要求对整个结构连同地基基础进行分析，以使结构的内在联系更符合实际。⑤结构优化设计。整体工程结构优化设计方案将越来越显示出经济意义和价值。