结构工程

结构工程是土木工程的一个子学科，其中结构工程师接受培训以设计创造人造结构形式和形状的“骨骼和肌肉”。结构工程师还必须了解和计算建筑物和非建筑结构的已建成结构的稳定性、强度、刚度和地震敏感性。结构设计与建筑师和建筑服务工程师等其他设计师的设计相结合，并经常在现场监督承包商的项目建设。他们还可以参与结构完整性影响功能和安全的机械、医疗设备和车辆的设计。见结构工程词汇。结构工程理论基于应用物理定律和不同材料和几何形状的结构性能的经验知识。结构工程设计使用许多相对简单的结构概念来构建复杂的结构系统。结构工程师负责创造性和有效地利用资金、结构元素和材料来实现这些目标。

结构工程可以追溯到公元前2700年，当时法老左塞尔的阶梯金字塔由历史上xxx位以名字所知的工程师Imhotep建造。金字塔是古代文明建造的最常见的主要结构，因为金字塔的结构形式本质上是稳定的，并且几乎可以无限缩放（与大多数其他结构形式相反，它的大小不能与增加的负载成比例地线性增加）。金字塔的结构稳定性，虽然主要来自其形状，但也依赖于建造它的石头的强度，以及它支撑上面石头重量的能力。石灰石块通常取自建筑工地附近的采石场，抗压强度为30至250MPa(MPa=Pa×106)。因此，金字塔的结构强度源于建造它的石头的材料特性，而不是金字塔的几何形状。纵观古代和中世纪历史，大多数建筑设计和建造都是由石匠和木匠等工匠完成的，他们扮演着建筑大师的角色。不存在结构理论，对结构如何站立的理解极为有限，并且几乎完全基于“以前起作用的东西”和直觉的经验证据。知识被公会保留，很少被进步所取代。结构是重复的，规模的增加是递增的。没有关于结构构件强度或结构材料行为的xxx次计算的记录，但结构工程师的职业只是随着工业xxx和混凝土的重新发明而真正形成（见混凝土历史）。结构工程基础的物理科学在文艺复兴时期开始被理解，并已发展成为1970年xxx创的基于计算机的应用程序。

• 1452-1519年达芬奇做出了许多贡献。
• 1638年：伽利略·伽利莱出版了《两门新科学》一书，其中他研究了简单结构的失效。
• 1660：罗伯特胡克的胡克定律。
• 1687年：艾萨克·牛顿出版了PhilosophiæNaturalisPrincipiaMathematica，其中包含他的运动定律。
• 1750：欧拉-伯努利梁方程。
• 1700-1782：丹尼尔伯努利介绍了虚拟工作原理。
• 1707-1783：LeonhardEuler发展了柱的屈曲理论。
• 1826年：Claude-LouisNavier发表了一篇关于结构弹性行为的论文。
• 1873年：CarloAlbertoCastigliano发表了他的论文Intornoaisistemielastici，其中包含他的定理，用于计算位移作为应变能的偏导数。该定理包括作为特例的最小功法。
• 1874年：奥托·莫尔将静态不确定结构的概念正式化。
• 1922：Timoshenko修正了Euler-Bernoulli梁方程。
• 1936年：HardyCross发表了矩分布法，这是连续框架设计中的一项重要创新。
• 1941：AlexanderHrennikoff使用格子框架解决了平面弹性问题的离散化问题。
• 1942：RichardCourant将一个域划分为有限的子区域。
• 1956年：J.Turner、RWClough、HCMartin和LJTopp关于复杂结构的刚度和挠度的论文引入了有限元方法这一名称，并被广泛认为是当今已知的该方法的xxx个综合处理方法。

结构工程的历史包含许多倒塌和失败。有时这是由于明显的疏忽造成的，例如在Pétion-Ville学校倒塌的案例中，福尔廷·奥古斯丁牧师独自建造了这座建筑，他说他不需要工程师，因为他对建筑有很好的了解。导致邻居逃离的三层校舍部分倒塌。最后的倒塌造成94人死亡，其中大部分是儿童。在其他情况下，结构失效需要仔细研究，这些调查的结果已经导致改进的实践和对结构工程科学的更深入的了解。一些这样的研究是取证工程调查的结果，其中原始工程师似乎已经按照专业状况和可接受的实践做了所有事情，但最终还是失败了。以这种方式推进结构知识和实践的著名案例可以在1970年代期间在澳大利亚倒塌的箱梁的一系列故障中找到。

结构工程依赖于应用力学、材料科学和应用数学的详细知识来理解和预测结构如何支撑和抵抗自重和施加的载荷。为了成功应用这些知识，结构工程师通常需要详细了解相关的经验和理论设计规范、结构分析技术，以及一些材料和结构的耐腐蚀性知识，尤其是当这些结构暴露在外部环境中时环境。自1990年代以来，可以使用专业软件来辅助结构设计，其功能可以帮助以最高精度绘制、分析和设计结构；示例包括AutoCAD、StaadPro、ETABS、Prokon、RevitStructure、InductaRCB等。

结构工程师负责工程设计和结构分析。入门级结构工程师可以设计结构的各个结构元素，例如建筑物的梁和柱。更有经验的工程师可能负责整个系统（例如建筑物）的结构设计和完整性。结构工程师通常专注于特定类型的结构，例如建筑物、桥梁、管道、工业、隧道、车辆、船舶、飞机和航天器。专门研究建筑物的结构工程师通常专门研究特定的建筑材料，例如混凝土、钢材、木材、砖石、合金和复合材料，并且可能专注于特定类型的建筑物，例如办公室、学校、医院、住宅等。自从人类xxx次开始建造他们的结构以来，结构工程就已经存在。在19世纪后期的工业xxx期间，随着建筑作为与工程不同的专业的出现，它成为一个更加明确和正式的职业。在那之前，建筑师和结构工程师通常是同一个东西——建筑大师。只有随着19世纪和20世纪初出现的结构理论专业知识的发展，专业结构工程师才应运而生。今天，结构工程师的角色涉及对静态和动态载荷以及可以抵抗它们的结构的深刻理解。现代结构的复杂性通常需要工程师的大量创造力，以确保结构能够支撑和抵抗它们所承受的载荷。结构工程师通常拥有四年或五年的本科学位，然后至少有三年的专业实践才能被视为完全合格。结构工程师获得世界各地不同学术团体和监管机构的许可或认可（例如，英国的结构工程师学会）。根据他们所学习的学位课程和/或他们正在寻求执照的司法管辖区，他们可能被认可（或许可）为结构工程师，或土木工程师，或土木和结构工程师。另一个国际组织是IABSE（国际桥梁和结构工程协会）。该协会的目的是交流知识并促进全球结构工程的实践，为专业和社会服务。

结构建筑工程包括与建筑物设计有关的所有结构工程。它是与建筑密切相关的结构工程的一个分支。结构建筑工程主要由对材料和形式的创造性操作以及潜在的数学和科学思想驱动，以达到满足其功能要求并且在承受其可以合理预期经历的所有载荷时结构安全的目的。这与建筑设计略有不同，建筑设计是通过创造性地操纵材料和形式、质量、空间、体积、纹理和光线来实现美学、功能性和艺术性的目的。建筑师通常是建筑物的首席设计师，并聘请结构工程师作为分顾问。每个学科引导设计的程度在很大程度上取决于结构的类型。许多结构结构简单，以建筑为主导，例如多层办公楼和房屋，而其他结构，例如拉伸结构、壳和网格壳，其强度严重依赖于其形式，工程师可能有更重要的对形式的影响，因此对美学的影响比建筑师更大。建筑物的结构设计必须确保建筑物能够安全地站立，能够在没有过度偏转或移动的情况下运行，而过度偏转或移动可能会导致结构元件疲劳、固定装置、配件或隔板开裂或失效，或使居住者感到不适。它必须考虑由于温度、蠕变、开裂和外加载荷引起的运动和力。它还必须确保设计在材料可接受的制造公差范围内实际上是可构建的。它必须允许建筑工作，并且建筑服务适合建筑和功能（空调、通风、排烟、电气、照明等）。现代建筑的结构设计可能极其复杂，通常需要一个庞大的团队来完成。建筑结构工程专业包括：

• 地震工程
• 立面工程
• 消防工程
• 屋顶工程
• 铁塔工程
• 风能工程

地震工程结构是那些设计用于抵御地震的结构。地震工程的主要目标是了解结构与震动地面的相互作用，预测可能发生的地震的后果，并设计和建造结构以在地震期间发挥作用。地震工程的一个重要工具是基础隔离，它允许结构的基础与地面自由移动。

土木结构工程包括与建筑环境相关的所有结构工程。这包括：

• 桥梁
• 大坝
• 土方工程
• 基础
• 海上结构
• 管道
• 发电站
• 铁路
• 挡土结构和墙壁
• 道路
• 隧道
• 水路
• 水库
• 水和废水基础设施

结构工程师是这些结构的首席设计师，通常是xxx的设计师。在此类结构的设计中，结构安全至关重要（在英国，大坝、核电站和桥梁的设计必须由特许工程师签署）。土木工程结构经常受到非常极端的作用力，例如温度的巨大变化、波浪或交通等动态载荷，或者来自水或压缩气体的高压。它们也经常在腐蚀性环境中建造，例如海上、工业设施或地下。

结构工程原理适用于各种机械（可移动）结构。静态结构的设计假设它们始终具有相同的几何形状（实际上，所谓的静态结构可以显着移动，结构工程设计必须在必要时考虑到这一点），但可移动或移动结构的设计必须考虑疲劳，抵抗载荷的方法的变化和结构的显着变形。机器部件所承受的力可能会有很大差异，而且变化速度很快。一艘船或飞机所承受的力变化很大，并且在结构的使用寿命内会发生数千次。结构设计必须确保此类结构能够在其整个设计寿命期间承受此类载荷而不会出现故障。这些工作可能需要机械结构工程：

• 锅炉和压力容器
• 马车厂和马车
• 起重机
• 电梯
• 自动扶梯
• 海洋船舶和船体

航空航天结构类型包括运载火箭（Atlas、Delta、Titan）、导弹（ALCM、Harpoon）、高超音速飞行器（SpaceShuttle）、军用飞机（F-16、F-18）和商用飞机（波音777、MD-11）。航空航天结构通常由具有外表面加强筋的薄板、隔板和框架组成，以支持形状和紧固件，例如焊接、铆钉、螺钉和螺栓，以将组件固定在一起。

纳米结构是分子和微观（微米级）结构之间的中等尺寸的物体。在描述纳米结构时，有必要区分纳米尺度上的维数。纳米纹理表面在纳米尺度上具有一维，即只有物体表面的厚度在0.1到100nm之间。纳米管在纳米尺度上具有二维，即管的直径在0.1～100nm之间；它的长度可能要大得多。最后，球形纳米粒子在纳米尺度上具有三个维度，即粒子在每个空间维度上在0.1到100纳米之间。术语纳米颗粒和超细颗粒(UFP)通常用作同义词，尽管UFP可以达到微米范围。术语“纳米结构”

医疗设备（也称为医疗设备）旨在帮助诊断、监测或治疗医疗状况。有几种基本类型：诊断设备包括医学成像机，用于辅助诊断；设备包括输液泵、医用激光器和LASIK手术机；医疗xxx器允许医务人员测量患者的医疗状态。监护仪可以测量患者的生命体征和其他参数，包括心电图、脑电图、血压和血液中溶解的气体；诊断医疗设备也可以在家中用于某些目的，例如用于控制糖尿病。生物医学设备技术员(BMET)是医疗保健提供系统的重要组成部分。BMET主要受雇于医院，是负责维护设施的人员

任何结构本质上都只由少量不同类型的元素组成：

• 列
• 梁
• 盘子
• 拱门
• 贝壳
• 悬链线

其中许多元素可以根据形式（直线、平面/曲线）和维度（一维/二维）进行分类：

柱是仅承载轴向力（压缩）或同时承载轴向力和弯曲（技术上称为梁柱，但实际上只是柱）的元件。柱的设计必须检查元件的轴向承载力和屈曲承载力。屈曲能力是元件承受屈曲倾向的能力。它的承载能力取决于它的几何形状、材料和柱子的有效长度，这取决于柱子顶部和底部的约束条件。柱承受轴向载荷的能力取决于它所承受的弯曲程度，反之亦然。这在交互图上表示，是一种复杂的非线性关系。

梁可以定义为一个单元，其中一个维度远大于其他两个维度，并且施加的载荷通常垂直于单元的主轴。梁和柱称为线元素，在结构建模中通常用简单的线表示。

• 悬臂式（仅通过固定连接在一端支撑）
• 简单支撑（固定在每一端的垂直平移和仅在一端的水平平移，并且能够在支撑处旋转）
• 固定（支持所有方向的平移和旋转）
• 连续（由三个或更多支撑支撑）
• 以上的组合（例如，在一端和中间支持）

梁是仅进行纯弯曲的元素。弯曲导致梁截面的一部分（沿其长度划分）受压，而另一部分受拉。受压部分必须设计成能够抵抗屈曲和挤压，而受拉部分必须能够充分抵抗拉力。

桁架是由构件和连接点或节点组成的结构。当成员在节点处连接并且在节点处施加力时，成员可以在拉伸或压缩中起作用。受压构件称为受压构件或支柱，而受拉构件称为受拉构件或拉杆。大多数桁架使用节点板连接相交的元素。节点板相对柔韧，无法传递弯矩。连接的布置通常使构件中的力线在接头处重合，从而允许桁架构件以纯拉伸或压缩作用。桁架通常用于大跨度结构中，使用实心梁是不经济的。

板在两个方向上进行弯曲。混凝土平板是板的一个例子。板是通过使用连续力学来理解的，但由于涉及的复杂性，它们通常使用编码的经验方法或计算机分析来设计。它们也可以使用屈服线理论进行设计，其中分析假设的坍塌机制以给出坍塌载荷的上限。该技术在实践中使用，但由于该方法为构思不佳的倒塌机制提供了上限（即对倒塌载荷的不安全预测），因此需要非常小心以确保假设的倒塌机制是现实的。

壳从它们的形状中获得强度，并在两个方向上承受压缩力。圆顶是壳的一个例子。它们可以通过制作悬链模型来设计，该模型将在纯张力下充当悬链线，并反转形式以实现纯压缩。

拱门只承受一个方向的压缩力，这就是为什么用砖石建造拱门是合适的。它们的设计是确保力的推力线保持在拱门的深度内。它主要用于增加任何结构的丰富性。

悬链线从它们的形状中获得力量，并通过偏转以纯粹的张力承载横向力（就像有人在上面行走时钢丝会下垂一样）。它们几乎总是电缆或织物结构。织物结构在两个方向上充当悬链线。

结构工程依赖于材料及其特性的知识，以了解不同材料如何支撑和抵抗载荷。它还涉及腐蚀工程知识，以避免例如不同材料的电流耦合。常见的结构材料有：

• 铁：锻铁、铸铁
• 混凝土：钢筋混凝土、预应力混凝土
• 合金：钢、不锈钢
• 石工
• 木材：硬木、软木
• 铝
• 复合材料：胶合板
• 其他结构材料：土坯、竹子、碳纤维、纤维增强塑料、泥砖、屋面材料