工程結構設計理論是處理工程結構的安全性、適用性與經濟性的理論及方法。
基本介紹
- 中文名：工程結構設計理論
- 目的：增強安全性、適用性
- 領域：工業
- 參考文獻：《營造法式》
工程結構設計理論,
工程結構設計理論
主要解決工程結構產生的各種作用效應與結構材料抗力之間的關係,涉及到有關結構上的作用、結構抗力、結構可靠度和結構設計方法及最佳化設計等方面的問題。
發展過程 人類為謀生存，自穴居、築巢以至進行築路架橋等營造活動以來，憑藉直接的實踐經驗，利用各種天然材料構築了無數工程結構物。通過千百年的工程實踐，積累經驗，編成工作口訣與成規，在工匠或行會中流傳沿用，經過漫長的重複實踐的歷程，才逐步認識和總結出一些結構建造的規律，並編寫了同技術條例一樣的一些成文和著作。中國宋朝的《營造法式》就是一部很寶貴的從經驗中總結出來的古代木結構規範，具有一定的設計理論萌芽，其部分內容沿用至今。
人們公認現代工程結構設計理論的奠基人是義大利學者伽利略，他的《關於兩門新科學的談話和數學證明》論文被公認為是材料力學的開端。從此，結構設計開始由定性的評述轉移到定量的分析，理論分析與試驗研究也開始被自覺地套用到結構設計中。
工程結構設計理論的發展經歷了種種演變。最早以承載能力直接試驗開始。19世紀以來，由於較理想的彈性材料（鋼材）的廣泛套用和彈性分析的力學方法的發展，採用容許應力設計法，這種方法在工程結構設計中統治了100餘年。直至20世紀30年代,人們注意到結構的破壞分析和材料的塑性性能與結構破壞強度有直接關係，因而破壞強度設計法受到重視，並得到發展和套用。在此基礎上,從50年代初期起,隨著對荷載、材料性能、結構抗力的研究不斷深入，在對荷載值與材料強度值分別考慮以機率取值的情況下，結構極限狀態設計理論和多係數極限狀態設計方法漸漸得到發展和套用。從70年代起，以考慮作用效應與結構抗力聯合機率分布為特點的，以機率理論為基礎的極限狀態設計法逐步得到發展，並陸續進入實用階段；目前仍在繼續完善與發展中。中國從50年代以來,在發展套用結構極限狀態設計中,系統地進行了建築結構設計方法和結構可靠度分析的研究，並在各種建築結構方面制定了建築結構設計統一標準和結構設計規範等一系列技術檔案。
工程結構實踐的需要是設計理論發展的主要推動力。中國自1949年以來，大量工業與民用建築及橋樑、港口、水壩等工程的興建，有力地推動了結構設計理論的發展；唐山地震促進了中國的工程抗震設計理論的研究和發展；近海石油的開發推動了海洋工程結構設計理論的研究與發展。
展望 由於現代電子計算機技術與測試技術的廣泛套用，工程結構設計理論也將更快的發展。以下是幾個值得重視的方面：①隨機分析。荷載、地震、波浪等都是某種與時間有關的隨機過程，而材料抗力的諸因素也大部分是某種隨機變數。因此，今後結構的設計理論將愈來愈多地套用機率論進行分析計算，結構可靠度研究也將不斷地向更高水準深入。②動態分析。嚴格地說，結構上的作用都是隨時間而變化的。動態作用是絕對的。由於動態作用既與時間又與結構的動力特性有關，因而像抵抗地震、爆炸、波浪荷載等的結構採用靜態設計已不能反映結構的真實情況。③非線性分析。結構在反覆荷載作用下或在大變形條件下需要考慮材料進入非線性階段的性能。此外，結構在較大變形條件下還有幾何非線性問題，以及對抗震結構需考慮結構利用的延性以消耗動能等問題。④結構的整體分析。目前結構設計常是將結構分解為單個構件或單個平面結構後進行計算。隨著電子計算機技術的發展，要求對整個結構連同地基基礎進行分析，以使結構的內在聯繫更符合實際。⑤結構最佳化設計。整體工程結構最佳化設計方案將越來越顯示出經濟意義和價值。
發展過程 人類為謀生存，自穴居、築巢以至進行築路架橋等營造活動以來，憑藉直接的實踐經驗，利用各種天然材料構築了無數工程結構物。通過千百年的工程實踐，積累經驗，編成工作口訣與成規，在工匠或行會中流傳沿用，經過漫長的重複實踐的歷程，才逐步認識和總結出一些結構建造的規律，並編寫了同技術條例一樣的一些成文和著作。中國宋朝的《營造法式》就是一部很寶貴的從經驗中總結出來的古代木結構規範，具有一定的設計理論萌芽，其部分內容沿用至今。
人們公認現代工程結構設計理論的奠基人是義大利學者伽利略，他的《關於兩門新科學的談話和數學證明》論文被公認為是材料力學的開端。從此，結構設計開始由定性的評述轉移到定量的分析，理論分析與試驗研究也開始被自覺地套用到結構設計中。
工程結構設計理論的發展經歷了種種演變。最早以承載能力直接試驗開始。19世紀以來，由於較理想的彈性材料（鋼材）的廣泛套用和彈性分析的力學方法的發展，採用容許應力設計法，這種方法在工程結構設計中統治了100餘年。直至20世紀30年代,人們注意到結構的破壞分析和材料的塑性性能與結構破壞強度有直接關係，因而破壞強度設計法受到重視，並得到發展和套用。在此基礎上,從50年代初期起,隨著對荷載、材料性能、結構抗力的研究不斷深入，在對荷載值與材料強度值分別考慮以機率取值的情況下，結構極限狀態設計理論和多係數極限狀態設計方法漸漸得到發展和套用。從70年代起，以考慮作用效應與結構抗力聯合機率分布為特點的，以機率理論為基礎的極限狀態設計法逐步得到發展，並陸續進入實用階段；目前仍在繼續完善與發展中。中國從50年代以來,在發展套用結構極限狀態設計中,系統地進行了建築結構設計方法和結構可靠度分析的研究，並在各種建築結構方面制定了建築結構設計統一標準和結構設計規範等一系列技術檔案。
工程結構實踐的需要是設計理論發展的主要推動力。中國自1949年以來，大量工業與民用建築及橋樑、港口、水壩等工程的興建，有力地推動了結構設計理論的發展；唐山地震促進了中國的工程抗震設計理論的研究和發展；近海石油的開發推動了海洋工程結構設計理論的研究與發展。
展望 由於現代電子計算機技術與測試技術的廣泛套用，工程結構設計理論也將更快的發展。以下是幾個值得重視的方面：①隨機分析。荷載、地震、波浪等都是某種與時間有關的隨機過程，而材料抗力的諸因素也大部分是某種隨機變數。因此，今後結構的設計理論將愈來愈多地套用機率論進行分析計算，結構可靠度研究也將不斷地向更高水準深入。②動態分析。嚴格地說，結構上的作用都是隨時間而變化的。動態作用是絕對的。由於動態作用既與時間又與結構的動力特性有關，因而像抵抗地震、爆炸、波浪荷載等的結構採用靜態設計已不能反映結構的真實情況。③非線性分析。結構在反覆荷載作用下或在大變形條件下需要考慮材料進入非線性階段的性能。此外，結構在較大變形條件下還有幾何非線性問題，以及對抗震結構需考慮結構利用的延性以消耗動能等問題。④結構的整體分析。目前結構設計常是將結構分解為單個構件或單個平面結構後進行計算。隨著電子計算機技術的發展，要求對整個結構連同地基基礎進行分析，以使結構的內在聯繫更符合實際。⑤結構最佳化設計。整體工程結構最佳化設計方案將越來越顯示出經濟意義和價值。
