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      結構工程 編輯

      詞條創建者 匿名用戶

      結構工程

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      結構工程是土木工程的一個子學科,其中結構工程師接受培訓以設計創造人造結構形式和形狀的“骨骼和肌肉”。結構工程師還必須了解和計算建筑物和非建筑結構的已建成結構的穩定性、強度、剛度和地震敏感性。結構設計與建筑師和建筑服務工程師等其他設計師的設計相結合,并經常在現場監督承包商的項目建設。他們還可以參與結構完整性影響功能和安全的機械、醫療設備和車輛的設計。見結構工程詞匯。結構工程理論基于應用物理定律和不同材料和幾何形狀的結構性能的經驗知識。結構工程設計使用許多相對簡單的結構概念來構建復雜的結構系統。結構工程師負責創造性和有效地利用資金、結構元素和材料來實現這些目標。

      結構工程歷史

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      結構工程可以追溯到公元前2700年,當時法老左塞爾的階梯金字塔由歷史上xxx位以名字所知的工程師Imhotep建造。金字塔是古代文明建造的最常見的主要結構,因為金字塔的結構形式本質上是穩定的,并且幾乎可以無限縮放(與大多數其他結構形式相反,它的大小不能與增加的負載成比例地線性增加)。金字塔的結構穩定性,雖然主要來自其形狀,但也依賴于建造它的石頭的強度,以及它支撐上面石頭重量的能力。石灰石塊通常取自建筑工地附近的采石場,抗壓強度為30至250MPa(MPa=Pa×106)。因此,金字塔的結構強度源于建造它的石頭的材料特性,而不是金字塔的幾何形狀??v觀古代和中世紀歷史,大多數建筑設計和建造都是由石匠和木匠等工匠完成的,他們扮演著建筑大師的角色。不存在結構理論,對結構如何站立的理解極為有限,并且幾乎完全基于“以前起作用的東西”和直覺的經驗證據。知識被公會保留,很少被進步所取代。結構是重復的,規模的增加是遞增的。沒有關于結構構件強度或結構材料行為的xxx次計算的記錄,但結構工程師的職業只是隨著工業xxx和混凝土的重新發明而真正形成(見混凝土歷史)。結構工程基礎的物理科學在文藝復興時期開始被理解,并已發展成為1970年xxx創的基于計算機的應用程序。

      時間線

      • 1452-1519年達芬奇做出了許多貢獻。
      • 1638年:伽利略·伽利萊出版了《兩門新科學》一書,其中他研究了簡單結構的失效。
      • 1660:羅伯特胡克的胡克定律。
      • 1687年:艾薩克·牛頓出版了Philosophi?NaturalisPrincipiaMathematica,其中包含他的運動定律。
      • 1750:歐拉-伯努利梁方程。
      • 1700-1782:丹尼爾伯努利介紹了虛擬工作原理。
      • 1707-1783:LeonhardEuler發展了柱的屈曲理論。
      • 1826年:Claude-LouisNavier發表了一篇關于結構彈性行為的論文。
      • 1873年:CarloAlbertoCastigliano發表了他的論文Intornoaisistemielastici,其中包含他的定理,用于計算位移作為應變能的偏導數。該定理包括作為特例的最小功法。
      • 1874年:奧托·莫爾將靜態不確定結構的概念正式化。
      • 1922:Timoshenko修正了Euler-Bernoulli梁方程。
      • 1936年:HardyCross發表了矩分布法,這是連續框架設計中的一項重要創新。
      • 1941:AlexanderHrennikoff使用格子框架解決了平面彈性問題的離散化問題。
      • 1942:RichardCourant將一個域劃分為有限的子區域。
      • 1956年:J.Turner、RWClough、HCMartin和LJTopp關于復雜結構的剛度和撓度的論文引入了有限元方法這一名稱,并被廣泛認為是當今已知的該方法的xxx個綜合處理方法。

      結構故障

      結構工程的歷史包含許多倒塌和失敗。有時這是由于明顯的疏忽造成的,例如在Pétion-Ville學校倒塌的案例中,福爾廷·奧古斯丁牧師獨自建造了這座建筑,他說他不需要工程師,因為他對建筑有很好的了解。導致鄰居逃離的三層校舍部分倒塌。最后的倒塌造成94人死亡,其中大部分是兒童。在其他情況下,結構失效需要仔細研究,這些調查的結果已經導致改進的實踐和對結構工程科學的更深入的了解。一些這樣的研究是取證工程調查的結果,其中原始工程師似乎已經按照專業狀況和可接受的實踐做了所有事情,但最終還是失敗了。以這種方式推進結構知識和實踐的著名案例可以在1970年代期間在澳大利亞倒塌的箱梁的一系列故障中找到。

      理論

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      結構工程依賴于應用力學、材料科學和應用數學的詳細知識來理解和預測結構如何支撐和抵抗自重和施加的載荷。為了成功應用這些知識,結構工程師通常需要詳細了解相關的經驗和理論設計規范、結構分析技術,以及一些材料和結構的耐腐蝕性知識,尤其是當這些結構暴露在外部環境中時環境。自1990年代以來,可以使用專業軟件來輔助結構設計,其功能可以幫助以最高精度繪制、分析和設計結構;示例包括AutoCAD、StaadPro、ETABS、Prokon、RevitStructure、InductaRCB等。

      職業

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      結構工程師負責工程設計和結構分析。入門級結構工程師可以設計結構的各個結構元素,例如建筑物的梁和柱。更有經驗的工程師可能負責整個系統(例如建筑物)的結構設計和完整性。結構工程師通常專注于特定類型的結構,例如建筑物、橋梁、管道、工業、隧道、車輛、船舶、飛機和航天器。專門研究建筑物的結構工程師通常專門研究特定的建筑材料,例如混凝土、鋼材、木材、磚石、合金和復合材料,并且可能專注于特定類型的建筑物,例如辦公室、學校、醫院、住宅等。自從人類xxx次開始建造他們的結構以來,結構工程就已經存在。在19世紀后期的工業xxx期間,隨著建筑作為與工程不同的專業的出現,它成為一個更加明確和正式的職業。在那之前,建筑師和結構工程師通常是同一個東西——建筑大師。只有隨著19世紀和20世紀初出現的結構理論專業知識的發展,專業結構工程師才應運而生。今天,結構工程師的角色涉及對靜態和動態載荷以及可以抵抗它們的結構的深刻理解?,F代結構的復雜性通常需要工程師的大量創造力,以確保結構能夠支撐和抵抗它們所承受的載荷。結構工程師通常擁有四年或五年的本科學位,然后至少有三年的專業實踐才能被視為完全合格。結構工程師獲得世界各地不同學術團體和監管機構的許可或認可(例如,英國的結構工程師學會)。根據他們所學習的學位課程和/或他們正在尋求執照的司法管轄區,他們可能被認可(或許可)為結構工程師,或土木工程師,或土木和結構工程師。另一個國際組織是IABSE(國際橋梁和結構工程協會)。該協會的目的是交流知識并促進全球結構工程的實踐,為專業和社會服務。

      專長

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      建筑結構

      結構建筑工程包括與建筑物設計有關的所有結構工程。它是與建筑密切相關的結構工程的一個分支。結構建筑工程主要由對材料和形式的創造性操作以及潛在的數學和科學思想驅動,以達到滿足其功能要求并且在承受其可以合理預期經歷的所有載荷時結構安全的目的。這與建筑設計略有不同,建筑設計是通過創造性地操縱材料和形式、質量、空間、體積、紋理和光線來實現美學、功能性和藝術性的目的。建筑師通常是建筑物的首席設計師,并聘請結構工程師作為分顧問。每個學科引導設計的程度在很大程度上取決于結構的類型。許多結構結構簡單,以建筑為主導,例如多層辦公樓和房屋,而其他結構,例如拉伸結構、殼和網格殼,其強度嚴重依賴于其形式,工程師可能有更重要的對形式的影響,因此對美學的影響比建筑師更大。建筑物的結構設計必須確保建筑物能夠安全地站立,能夠在沒有過度偏轉或移動的情況下運行,而過度偏轉或移動可能會導致結構元件疲勞、固定裝置、配件或隔板開裂或失效,或使居住者感到不適。它必須考慮由于溫度、蠕變、開裂和外加載荷引起的運動和力。它還必須確保設計在材料可接受的制造公差范圍內實際上是可構建的。它必須允許建筑工作,并且建筑服務適合建筑和功能(空調、通風、排煙、電氣、照明等)?,F代建筑的結構設計可能極其復雜,通常需要一個龐大的團隊來完成。建筑結構工程專業包括:

      地震工程結構

      地震工程結構是那些設計用于抵御地震的結構。地震工程的主要目標是了解結構與震動地面的相互作用,預測可能發生的地震的后果,并設計和建造結構以在地震期間發揮作用。地震工程的一個重要工具是基礎隔離,它允許結構的基礎與地面自由移動。

      土木工程結構

      土木結構工程包括與建筑環境相關的所有結構工程。這包括:

      • 橋梁
      • 大壩
      • 土方工程
      • 基礎
      • 海上結構
      • 管道
      • 發電站
      • 鐵路
      • 擋土結構和墻壁
      • 道路
      • 隧道
      • 水路
      • 水庫
      • 水和廢水基礎設施

      結構工程師是這些結構的首席設計師,通常是xxx的設計師。在此類結構的設計中,結構安全至關重要(在英國,大壩、核電站和橋梁的設計必須由特許工程師簽署)。土木工程結構經常受到非常極端的作用力,例如溫度的巨大變化、波浪或交通等動態載荷,或者來自水或壓縮氣體的高壓。它們也經常在腐蝕性環境中建造,例如海上、工業設施或地下。

      機械結構

      結構工程原理適用于各種機械(可移動)結構。靜態結構的設計假設它們始終具有相同的幾何形狀(實際上,所謂的靜態結構可以顯著移動,結構工程設計必須在必要時考慮到這一點),但可移動或移動結構的設計必須考慮疲勞,抵抗載荷的方法的變化和結構的顯著變形。機器部件所承受的力可能會有很大差異,而且變化速度很快。一艘船或飛機所承受的力變化很大,并且在結構的使用壽命內會發生數千次。結構設計必須確保此類結構能夠在其整個設計壽命期間承受此類載荷而不會出現故障。這些工作可能需要機械結構工程:

      航空航天結構

      航空航天結構類型包括運載火箭(Atlas、Delta、Titan)、導彈(ALCM、Harpoon)、高超音速飛行器(SpaceShuttle)、軍用飛機(F-16、F-18)和商用飛機(波音777、MD-11)。航空航天結構通常由具有外表面加強筋的薄板、隔板和框架組成,以支持形狀和緊固件,例如焊接、鉚釘、螺釘和螺栓,以將組件固定在一起。

      納米級結構

      納米結構分子和微觀(微米級)結構之間的中等尺寸的物體。在描述納米結構時,有必要區分納米尺度上的維數。納米紋理表面在納米尺度上具有一維,即只有物體表面的厚度在0.1到100nm之間。納米管在納米尺度上具有二維,即管的直徑在0.1~100nm之間;它的長度可能要大得多。最后,球形納米粒子在納米尺度上具有三個維度,即粒子在每個空間維度上在0.1到100納米之間。術語納米顆粒和超細顆粒(UFP)通常用作同義詞,盡管UFP可以達到微米范圍。術語“納米結構”

      醫學結構工程

      醫療設備(也稱為醫療設備)旨在幫助診斷、監測或治療醫療狀況。有幾種基本類型:診斷設備包括醫學成像機,用于輔助診斷;設備包括輸液泵、醫用激光器和LASIK手術機;醫療監視器允許醫務人員測量患者的醫療狀態。監護儀可以測量患者的生命體征和其他參數,包括心電圖、腦電圖、血壓和血液中溶解的氣體;診斷醫療設備也可以在家中用于某些目的,例如用于控制糖尿病。生物醫學設備技術員(BMET)是醫療保健提供系統的重要組成部分。BMET主要受雇于醫院,是負責維護設施的人員

      結構元素

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      任何結構本質上都只由少量不同類型的元素組成:

      • 盤子
      • 拱門
      • 貝殼
      • 懸鏈線

      其中許多元素可以根據形式(直線、平面/曲線)和維度(一維/二維)進行分類:

      柱是僅承載軸向力(壓縮)或同時承載軸向力和彎曲(技術上稱為梁柱,但實際上只是柱)的元件。柱的設計必須檢查元件的軸向承載力和屈曲承載力。屈曲能力是元件承受屈曲傾向的能力。它的承載能力取決于它的幾何形狀、材料和柱子的有效長度,這取決于柱子頂部和底部的約束條件。柱承受軸向載荷的能力取決于它所承受的彎曲程度,反之亦然。這在交互圖上表示,是一種復雜的非線性關系。

      梁可以定義為一個單元,其中一個維度遠大于其他兩個維度,并且施加的載荷通常垂直于單元的主軸。梁和柱稱為線元素,在結構建模中通常用簡單的線表示。

      • 懸臂式(僅通過固定連接在一端支撐)
      • 簡單支撐(固定在每一端的垂直平移和僅在一端的水平平移,并且能夠在支撐處旋轉)
      • 固定(支持所有方向的平移和旋轉)
      • 連續(由三個或更多支撐支撐)
      • 以上的組合(例如,在一端和中間支持)

      梁是僅進行純彎曲的元素。彎曲導致梁截面的一部分(沿其長度劃分)受壓,而另一部分受拉。受壓部分必須設計成能夠抵抗屈曲和擠壓,而受拉部分必須能夠充分抵抗拉力。

      桁架

      桁架是由構件和連接點或節點組成的結構。當成員在節點處連接并且在節點處施加力時,成員可以在拉伸或壓縮中起作用。受壓構件稱為受壓構件或支柱,而受拉構件稱為受拉構件或拉桿。大多數桁架使用節點板連接相交的元素。節點板相對柔韌,無法傳遞彎矩。連接的布置通常使構件中的力線在接頭處重合,從而允許桁架構件以純拉伸或壓縮作用。桁架通常用于大跨度結構中,使用實心梁是不經濟的。

      盤子

      板在兩個方向上進行彎曲?;炷疗桨迨前宓囊粋€例子。板是通過使用連續力學來理解的,但由于涉及的復雜性,它們通常使用編碼的經驗方法或計算機分析來設計。它們也可以使用屈服線理論進行設計,其中分析假設的坍塌機制以給出坍塌載荷的上限。該技術在實踐中使用,但由于該方法為構思不佳的倒塌機制提供了上限(即對倒塌載荷的不安全預測),因此需要非常小心以確保假設的倒塌機制是現實的。

      貝殼

      殼從它們的形狀中獲得強度,并在兩個方向上承受壓縮力。圓頂是殼的一個例子。它們可以通過制作懸鏈模型來設計,該模型將在純張力下充當懸鏈線,并反轉形式以實現純壓縮。

      結構工程

      拱門

      拱門只承受一個方向的壓縮力,這就是為什么用磚石建造拱門是合適的。它們的設計是確保力的推力線保持在拱門的深度內。它主要用于增加任何結構的豐富性。

      懸鏈線

      懸鏈線從它們的形狀中獲得力量,并通過偏轉以純粹的張力承載橫向力(就像有人在上面行走時鋼絲會下垂一樣)。它們幾乎總是電纜或織物結構??椢锝Y構在兩個方向上充當懸鏈線。

      結構工程材料

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      結構工程依賴于材料及其特性的知識,以了解不同材料如何支撐和抵抗載荷。它還涉及腐蝕工程知識,以避免例如不同材料的電流耦合。常見的結構材料有:

      • 鐵:鍛鐵、鑄鐵
      • 混凝土:鋼筋混凝土、預應力混凝土
      • 合金:鋼、不銹鋼
      • 石工
      • 木材:硬木、軟木
      • 復合材料:膠合板
      • 其他結構材料:土坯、竹子、碳纖維、纖維增強塑料、泥磚、屋面材料

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      詞條目錄
      1. 結構工程
      2. 結構工程歷史
      3. 時間線
      4. 結構故障
      5. 理論
      6. 職業
      7. 專長
      8. 建筑結構
      9. 地震工程結構
      10. 土木工程結構
      11. 機械結構
      12. 航空航天結構
      13. 納米級結構
      14. 醫學結構工程
      15. 結構元素
      16. 桁架
      17. 盤子
      18. 貝殼
      19. 拱門
      20. 懸鏈線
      21. 結構工程材料

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