第1章 绪论 1
1.1 什么是结构概念 2
1.1.1 来源于理论的结构概念 2
1.1.2 来源于实践的结构概念 3
1.2 为什么要学习结构概念 4
1.3 学习结构概念的方法 5
1.3.1 理论知识 5
1.3.2 模型演示 5
1.3.3 应用实例 7
1.3.4 学生参与 7
1.4 本书的内容安排 8
1.5 学习建议 9
1.5.1 对于学生 9
1.5.2 对于教师 9
1.5.3 对于工程师 10
参考文献 12
第一部分 静力篇 15
第2章 平衡 15
2.1 定义与概念 16
2.2 理论背景 16
2.3 模型演示 18
2.3.1 作用力与反作用力 18
2.3.2 稳定平衡与不稳定平衡 19
2.3.3 板-瓶子系统 19
2.3.4 磁悬浮模型 20
2.4 应用实例 21
2.4.1 限行杆 21
2.4.2 人行桥 22
2.4.3 天平秤 22
2.4.4 舞台表演 23
2.4.5 磁悬浮列车 23
2.4.6 垃圾撮子 24
思考题 25
参考文献 25
第3章 质心 27
3.1 定义与概念 28
3.2 理论背景 28
3.3 模型演示 32
3.3.1 任意形状纸板的质心 32
3.3.2 物体的质心与形心 33
3.3.3 L形平面物体的质心 34
3.3.4 竖向平面物体的质心 34
3.3.5 质心与稳定 35
3.3.6 质心与运动 37
3.4 应用实例 38
3.4.1 工程起重机 38
3.4.2 埃菲尔铁塔 39
3.4.3 展示架 39
3.4.4 欧洲之门 40
思考题 41
参考文献 41
第4章 截面形状的影响 43
4.1 定义与概念 44
4.2 理论背景 44
4.3 模型演示 48
4.3.1 矩形截面梁和工字形截面梁 48
4.3.2 用书签托起书 50
4.4 应用实例 50
4.4.1 钢框架结构 50
4.4.2 铁路桥 50
4.4.3 腹板开孔的工字形截面构件 51
思考题 53
参考文献 53
第5章 应力分布 55
5.1 概念 56
5.2 理论背景 56
5.3 模型演示 57
5.3.1 钉板上的气球 57
5.3.2 均布应力与非均布应力 58
5.3.3 应力集中 59
5.3.4 截面核心区 60
5.4 应用实例 62
5.4.1 平跟鞋与高跟鞋 62
5.4.2 比萨斜塔 63
思考题 64
参考文献 65
第6章 弯曲 67
6.1 定义与概念 68
6.2 理论背景 68
6.3 模型演示 71
6.3.1 梁的弯曲假定 71
6.3.2 浅梁与深梁 72
6.4 应用实例 73
6.4.1 桁架的合理形状 73
6.4.2 利用伸臂梁减小弯矩 74
6.4.3 弯曲破坏 74
6.4.4 订书钉的弯曲变形 75
思考题 76
参考文献 77
第7章 剪切与扭转 79
7.1 定义与概念 80
7.2 理论背景 80
7.2.1 弯曲剪应力 80
7.2.2 扭转剪应力 82
7.2.3 剪切中心 85
7.3 模型演示 86
7.3.1 扭转效应 86
7.3.2 剪应力效应 87
7.3.3 剪力效应 89
7.3.4 开口截面与闭口截面的翘曲扭转 90
7.3.5 开口截面与闭口截面的无翘曲扭转 90
7.3.6 薄壁开口截面的剪切中心 91
7.4 应用实例 93
7.4.1 组合截面梁 93
7.4.2 剪力墙 93
7.4.3 开饮料瓶 93
7.4.4 箱形梁公路桥 95
思考题 95
参考文献 96
第8章 跨度与变形 97
8.1 概念 98
8.2 理论背景 98
8.3 模型演示 102
8.3.1 跨度的影响 102
8.3.2 边界条件的影响 103
8.3.3 梁的固端弯矩 103
8.3.4 竖向构件的侧向刚度 105
8.4 应用实例 106
8.4.1 柱支承 106
8.4.2 支柱根现象 107
8.4.3 结构中的支柱 107
思考题 109
参考文献 110
第9章 最短传力路径 111
9.1 定义、概念与准则 112
9.2 理论背景 112
9.2.1 引言 112
9.2.2 提高结构刚度的概念 113
9.2.3 概念推广 115
9.2.4 讨论 120
9.3 模型演示 123
9.3.1 试验验证 123
9.3.2 直线形和折线形传力路径 124
9.4 应用实例 125
9.4.1 高层结构的支撑系统 125
9.4.2 脚手架的支撑系统 125
思考题 127
参考文献 128
第10章 减小结构内力 129
10.1 概念与准则 130
10.2 理论背景 130
10.2.1 引言 130
10.2.2 无约束环与有约束环 131
10.3 模型演示 137
10.3.1 一对橡胶环 137
10.3.2 后张预应力塑料梁 138
10.4 应用实例 139
10.4.1 雷利竞技馆 139
10.4.2 浙江黄龙体育中心 140
10.4.3 斜拉桥 141
10.4.4 承受剧烈振动作用的楼盖 142
10.4.5 双坡屋盖 143
思考题 143
参考文献 144
第11章 屈曲 145
11.1 定义与概念 146
11.2 理论背景 146
11.2.1 屈曲的基本概念 146
11.2.2 不同边界条件下的柱屈曲 147
11.2.3 梁的侧向弯扭屈曲 149
11.2.4 静力变形与屈曲荷载 152
11.3 模型演示 153
11.3.1 塑料尺的屈曲变形 153
11.3.2 屈曲荷载和边界条件 153
11.3.3 梁的侧向弯扭屈曲 155
11.3.4 空饮料罐的屈曲破坏 157
11.3.5 基于弯曲试验的屈曲荷载预测 157
11.4 应用实例 158
11.4.1 支撑构件的屈曲 158
11.4.2 箱形梁的屈曲 159
11.4.3 防止梁侧向屈曲的措施 159
11.4.4 拍拍手环的双稳态 160
思考题 161
参考文献 162
第12章 预应力 163
12.1 定义与概念 164
12.2 理论背景 164
12.2.1 中心张拉预应力梁 165
12.2.2 偏心张拉预应力梁 166
12.2.3 体外张拉预应力梁 166
12.3 模型演示 169
12.3.1 由预应力木块组成的梁和柱 169
12.3.2 应用预应力的玩具 170
12.4 应用实例 171
12.4.1 中心张拉预应力石柱 171
12.4.2 偏心张拉预应力梁 171
12.4.3 蜘蛛网 172
12.4.4 预应力索网结构 172
思考题 174
参考文献 174
第13章 由竖向荷载引起的结构水平运动 177
13.1 概念 178
13.2 理论背景 178
13.2.1 静力响应 178
13.2.2 动力响应 187
13.3 模型演示 188
13.3.1 对称框架 188
13.3.2 反对称框架 189
13.3.3 非对称框架 190
13.4 应用实例 190
13.4.1 看台结构 190
13.4.2 楼板 190
13.4.3 铁路桥 192
思考题 192
参考文献 193
第二部分 动力篇 197
第14章 能量转换 197
14.1 定义与概念 198
14.2 理论背景 198
14.3 模型演示 202
14.3.1 运动的轮子 202
14.3.2 碰撞小球 203
14.3.3 一串下落的小球 204
14.4 应用实例 205
14.4.1 过山车 205
14.4.2 不用电池的手电筒 206
思考题 207
参考文献 207
第15章 悬挂系统 209
15.1 定义与概念 210
15.2 理论背景 210
15.2.1 单摆 210
15.2.2 广义悬挂系统 211
15.2.3 平动悬挂系统和转动悬挂系统 215
15.3 模型演示 215
15.3.1 悬挂系统的固有频率 215
15.3.2 质量对悬挂系统的影响 216
15.3.3 外倾式悬挂系统的静力性能 219
15.4 应用实例 220
15.4.1 游乐园中的悬挂木桥 220
15.4.2 楼板隔震 220
15.4.3 傅科摆 221
思考题 222
参考文献 222
第16章 自由振动 223
16.1 定义与概念 224
16.2 理论背景 224
16.2.1 单自由度系统 224
16.2.2 广义单自由度系统 228
16.2.3 多自由度系统 232
16.2.4 梁的基频与最大位移的关系 233
16.3 模型演示 235
16.3.1 单摆系统的自由振动 235
16.3.2 振动衰减与固有频率 236
16.3.3 过阻尼系统 237
16.3.4 离散系统的振型 237
16.3.5 连续系统的振型 238
16.4 应用实例 239
16.4.1 音乐盒 239
16.4.2 利用激振器测量结构固有频率 240
16.4.3 利用环境激励测量烟囱固有频率 240
思考题 243
参考文献 243
第17章 共振 245
17.1 定义与概念 246
17.2 理论背景 246
17.2.1 单自由度系统在简谐荷载激励下的响应 246
17.2.2 单自由度系统在基底简谐运动激励下的响应 251
17.2.3 共振频率 253
17.3 模型演示 254
17.3.1 单自由度系统在基底简谐运动激励下的响应 255
17.3.2 共振效应 256
17.4 应用实例 256
17.4.1 伦敦千禧桥 256
17.4.2 避免共振：流行音乐会结构设计 258
17.4.3 建筑物的共振频率测量 260
17.4.4 一个有趣的共振现象 261
思考题 262
参考文献 262
第18章 结构阻尼 265
18.1 概念 266
18.2 理论背景 266
18.2.1 由自由振动试验确定阻尼比 266
18.2.2 由强迫振动试验确定阻尼比 267
18.3 模型演示 268
18.3.1 观察自由振动中的阻尼效应 268
18.3.2 聆听自由振动中的阻尼效应 269
18.4 应用实例 270
18.4.1 由自由振动试验确定阻尼比 270
18.4.2 由强迫振动试验确定阻尼比 271
18.4.3 楼板的阻尼比 271
18.4.4 建筑物的阻尼比 272
18.4.5 减小由步行引起的人行桥振动 273
18.4.6 减小由步行引起的楼板振动 273
思考题 275
参考文献 275
第19章 减振 277
19.1 定义与概念 278
19.2 理论背景 278
19.2.1 改变系统的动力特性 278
19.2.2 调谐质量阻尼器 280
19.3 模型演示 282
19.3.1 调谐质量阻尼器（TMD） 282
19.3.2 调谐液体阻尼器（TLD） 283
19.3.3 基底隔振 284
19.3.4 摆式调谐质量阻尼器 284
19.4 应用实例 286
19.4.1 利用轮胎隔振 286
19.4.2 伦敦眼 286
19.4.3 伦敦千禧桥 288
思考题 288
参考文献 289
第20章 结构振动中的人体模型 291
20.1 概念 292
20.2 理论背景 292
20.2.1 人与结构相互作用 292
20.2.2 振动结构中的人体模型 294
20.3 演示试验 296
20.3.1 站立人体的竖向振动模型 296
20.3.2 站立人体的水平振动模型 298
20.4 应用实例 300
20.4.1 静止观众对看台的影响 300
20.4.2 看台固有频率的计算 301
20.4.3 流行音乐会中的结构动力响应 301
20.4.4 间接测量站立人体的固有频率 302
20.4.5 间接测量鸡的固有频率 303
思考题 303
参考文献 304
第三部分 综合篇 307
第21章 静力刚度与模态刚度 307
21.1 关于刚度的一般认识 308
21.2 静力刚度与模态刚度的定义 309
21.2.1 静力刚度 309
21.2.2 模态刚度 310
21.3 静力刚度与模态刚度的关系 311
21.4 验证 312
21.4.1 解析验证 312
21.4.2 试验验证 315
21.4.3 数值验证 317
21.5 应用 321
21.5.1 刚度测量在组合楼板中的应用 321
21.5.2 在有节奏人群荷载作用下的结构位移 322
21.5.3 测量结构的静力刚度和承载力 322
21.6 讨论 324
21.7 总结 325
参考文献 326
第22章 静力问题与动力问题 329
22.1 引言 330
22.2 最大位移与固有频率 331
22.2.1 关系方程 331
22.2.2 例题 333
22.3 屈曲荷载与固有频率 335
22.3.1 关系方程 335
22.3.2 压杆的振动屈曲试验 338
22.4 周期性动荷载与其静荷载分量 340
22.4.1 关系方程 340
22.4.2 人跳跃荷载 341
22.5 张力与固有频率 342
22.5.1 关系方程 342
22.5.2 拉杆的张力与固有频率 342
22.5.3 伦敦眼的索张力 344
22.6 总结 344
参考文献 345
第23章 试验研究与理论研究 347
23.1 试验研究与理论研究的特点 348
23.1.1 试验研究 348
23.1.2 理论研究 349
23.1.3 试验和理论联合研究 349
23.2 试验和理论的关系模型 350
23.3 比较模型 351
23.3.1 模型及特征 351
23.3.2 实例1：钢框架建筑 351
23.3.3 实例2：恰当的楼板模型 354
23.4 联合模型 356
23.4.1 模型及特征 356
23.4.2 实例1：钢筋混凝土梁的动力响应 356
23.4.3 实例2：体育中心的楼板 357
23.5 验证模型 358
23.5.1 模型及特征 358
23.5.2 实例1：验证理论假设 359
23.5.3 实例2：验证理论预测 359
23.6 解释模型 360
23.6.1 模型及特征 360
23.6.2 实例1：静止人体对结构振动的影响 361
23.6.3 实例2：临时看台的水平刚度 363
23.7 创造模型 364
23.7.1 模型及特征 364
23.7.2 实例1：振动结构中的人体模型 365
23.7.3 实例2：高效的结构支撑系统 367
23.8 扩展模型 367
23.8.1 模型及特征 367
23.8.2 实例1：人体频率的测量 368
23.8.3 实例2：威斯敏斯特宫尖塔裂缝的鉴定 368
23.9 不同模型之间的联系 369
参考文献 370
第24章 理论与实践 373
24.1 引言 374
24.2 结构概念的理论和实践来源 374
24.3 理论与实践的关系 375
24.3.1 结构概念与直觉认识 375
24.3.2 结构概念与具体措施 377
24.3.3 理论与实践 379
24.4 沟通理论与实践的桥梁 379
24.4.1 正向方法：从理论到实践 380
24.4.2 逆向方法：从实践到理论 381
24.4.3 跨学科方法：实践、研究和教学一体 383
24.5 总结 385
参考文献 386
中英文名词对照表 387