結構力學概念內涵與外沿及工程應用

摘要：準確掌握結構力學概念是學生向合格工程師轉變的重要能力。首先，以結構剛度為例，分析了結構力學內涵概念向外沿概念推理過程，并應用外沿概念指導工程應用。其次，以單自由度系統為例，應用其動力響應規律可解決工程中大量振動問題。最后，通過反應譜分析，學生可進一步掌握我國建筑抗震現狀以及減、隔震基理。將結構力學概念與工程應用結合可培養學生創新能力，以適應社會發展的需要。

關鍵詞：結構力學內涵概念外沿概念工程應用

引言

結構力學主要研究工程結構荷載傳遞的基本規律，重點培養學生結構計算和分析能力，進而培養學生的工程推理和解決問題的能力，是土建類和機械類專業必修的一門專業基礎課[1]。目前，不少畢業生存在對結構基本概念不清，工作中解決實際問題能力較差的現狀[2]。本文結合結構力學中基本概念，闡述其外沿概念以及在工程應用中的重要性。

1。結構剛度

結構剛度是結構抵抗變形的能力。剛度定義為作用在彈性體上的力F與位移Δ的比值：KS=FΔ。隨著結構越來越高，工程用何種方案來提高結構剛度？解決上述實際問題比掌握剛度基本概念更加重要，對學生的能力培養也更為重要。

1.1 結構剛度外沿概念

為某實際工程原方案屈曲約束支撐布置情況，混凝土柱截面為700×700mm，梁截面為400×700mm，屈曲約束支撐彈性剛度為4200kN/mm。原方案并不完全滿足提高剛度外沿概念。圖2為采用提高剛度外沿概念優化布置結果，與原方案相比，所采用的支撐數量相同。在結構頂部施加1000kN水平荷載，原布置方案頂點變形為2.32mm，優化方案變形為0.91mm，與采用提高剛度外沿概念一致。

由剛度外沿概念可很好指導屈曲約束支撐構件的設計。該思路也適用于支撐構件在高層結構、腳手架等結構應用，同理，該概念也可推廣至梁式結構。結構力學外沿概念理解與掌握對學生的工程能力和創新能力培養具有實際意義。

2.單自由度系統

系統的位置由一個變量來唯一確定，則該系統稱為單自由度系統（SDOF）。掌握單自由度系統反應特點是理解結構動力響應的核心。

2.1 單自由度系統在簡諧荷載作用下的響應

我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[4]加速度反應譜采用地震影響系數曲線表示，以北京、東京、臺北、洛杉磯和波坦察為代表[5]，反應譜進行對比見圖5。我國規范反應譜存在以下特點： 2s以內結構的地震作用較小，多層結構抗震能力水平處于較低水平；長周期段為直線下降段，3s以上結構地震作用偏大，超高層結構抗震水平有保障。

水平隔震技術原理是通過在下部結構與上部結構之間設置隔震層來改變整體結構的動力特性。隔震系統因水平剛度較小，可延長上部結構的周期至3 s以上（圖6），使建筑物因地震而產生的加速度反應可大量減小，而達到保護建筑結構物的目的。結構減震原理也可通過不同阻尼比對應反應譜曲線規律進行理解，隨著阻尼比增加，結構響應減小。通過單自由學習，可培養學生從總體出發解決工程技術問題，進而培養學生的創新能力。

3.結論

1）掌握剛度外沿概念可很好指導支撐類構件的設計。

2）單自由度系統簡諧荷載作用下的響應規律也可廣泛解決實際工程振動問題。

3）通過單自由度系統反應譜分析，可掌握我國建筑抗震現狀以及減、隔震基理。

4）結構力學外沿概念掌握對培養學生的工程能力和創新能力具有實際意義。

參考文獻：

[1]李廉錕. 結構力學（第5版）[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[2]蔣永生，邱洪興，陳以一. 土建類專業工程素質和實踐能力培養的研究與實踐[J] . 高等建筑教育， 2003（ 2 ）：pp14- 16.

[3]季天健，Adrian Bell. 感知結構概念 [M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[4]GB50011-2010建筑抗震設計規范 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]Demin FENG， Wenguang LIU， Keiji MASUDA， A COMPARATIVE STUDY OF SEISMIC ISOLATION CODES WORLDWIDE， PART I. Design Spectra[C]，First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology， Geneva， Switzerland， Paper no.63， 2006.