第一部分 静力学 3
1 平衡 3
1.1定义与概念 3
1.2理论背景 3
1.3模型演示 5
1.3.1作用力与反作用力 5
1.3.2稳定平衡与不稳定平衡 6
1.3.3板-瓶系统 7
1.3.4磁悬浮模型 7
1.4应用实例 8
1.4.1限行杆 8
1.4.2人行桥 9
1.4.3天平 9
1.4.4舞台表演 10
1.4.5磁悬浮列车 10
1.4.6快餐店中的垃圾撮子 11
2 质心 13
2.1定义与概念 13
2.2理论背景 13
2.3模型演示 17
2.3.1任意形状纸板的质心 17
2.3.2物体的质心与形心 18
2.3.3水平面内的物体质心 18
2.3.4竖直平面内的物体质心 19
2.3.5质心与稳定 20
2.3.6质心与运动 22
2.4应用实例 22
2.4.1工程用起重机 22
2.4.2埃菲尔铁塔 23
2.4.3展示架 23
2.4.4 Kio塔 23
3 不同截面形式的影响 25
3.1定义与概念 25
3.2理论背景 25
3.3模型演示 29
3.3.1两个矩形截面梁和一个工字形截面梁 29
3.3.2用书签将书托起 30
3.4应用实例 31
3.4.1钢框架结构 31
3.4.2铁路桥 31
3.4.3腹板开孔的工字形构件（蜂窝梁和柱） 31
4 弯曲 34
4.1定义与概念 34
4.2理论背景 34
4.3模型演示 37
4.3.1梁的弯曲假定 37
4.4应用实例 38
4.4.1桁架梁的外形 38
4.4.2利用悬挑减小弯矩 38
4.4.3弯曲破坏 39
4.4.4订书钉的弯曲变形 39
5 剪切与扭转 42
5.1定义与概念 42
5.2理论背景 42
5.2.1弯曲剪应力 42
5.2.2扭转剪应力 44
5.3模型演示 47
5.3.1扭转效应 47
5.3.2剪应力效应 47
5.3.3剪力效应 49
5.3.4开口与闭口截面的翘曲扭转 50
5.3.5开口与闭口截面的无翘曲扭转 51
5.4应用实例 51
5.4.1组合截面梁 51
5.4.2建筑中的剪力墙 52
5.4.3开启饮料瓶 52
6 应力分布 54
6.1概念 54
6.2理论背景 54
6.3模型演示 55
6.3.1钉板上的气球 55
6.3.2均布应力与非均布应力 56
6.4应用实例 57
6.4.1平底鞋与高跟鞋 57
6.4.2比萨斜塔 58
7 跨度与变形 59
7.1概念 59
7.2理论背景 59
7.3模型演示 63
7.3.1跨度的影响 63
7.3.2边界条件的影响 63
7.3.3梁的固端弯矩 64
7.4应用实例 65
7.4.1柱支承 65
7.4.2支柱根现象 65
7.4.3结构中的支柱 66
8 直接传力路径 68
8.1定义、概念与准则 68
8.2理论背景 68
8.2.1引言 68
8.2.2提高结构刚度的概念 69
8.2.3概念实现 72
8.2.4讨论 77
8.3模型演示 79
8.3.1试验验证 79
8.3.2直线形和折线形传力路径 80
8.4应用实例 81
8.4.1高层结构的支撑体系 81
8.4.2脚手架的支撑体系 81
9 减小结构内力 85
9.1概念 85
9.2理论背景 85
9.2.1引言 85
9.2.2无约束环与有约束环 86
9.3模型演示 93
9.3.1一对橡胶环 93
9.3.2后张预应力塑料梁 93
9.4应用实例 94
9.4.1雷利体育馆 94
9.4.2浙江黄龙体育中心 95
9.4.3斜拉桥 96
9.4.4承受过分振动作用的楼板 97
10 屈曲 99
10.1定义与概念 99
10.2理论背景 99
10.2.1不同边界条件下的柱屈曲 99
10.2.2梁的侧向弯扭屈曲 102
10.3模型演示 104
10.3.1塑料尺的屈曲变形 104
10.3.2屈曲荷载和边界条件 105
10.3.3梁的侧向弯扭屈曲 106
10.3.4空铝罐的屈曲破坏 108
10.4应用实例 108
10.4.1支撑杆件的屈曲 108
10.4.2箱形截面梁的屈曲 108
10.4.3防止梁侧向屈曲的措施 109
11 预应力 111
11.1定义与概念 111
11.2理论背景 111
11.2.1中心张拉预应力梁 112
11.2.2偏心张拉预应力梁 113
11.2.3体外张拉预应力梁 113
11.3模型演示 116
11.3.1由预应力木块组成的梁和柱 116
11.3.2应用预应力的玩具 117
11.4应用实例 118
11.4.1中心张拉预应力石柱 118
11.4.2偏心张拉预应力梁 118
11.4.3蜘蛛网 118
11.4.4预应力索网屋盖结构 119
12 由竖向荷载引起的结构水平位移 121
12.1概念 121
12.2理论背景 121
12.2.1静力响应 122
12.2.2动力响应 130
12.3模型演示 132
12.3.1对称框架 132
12.3.2反对称框架 132
12.3.3非对称框架 133
12.4应用实例 133
12.4.1看台结构 133
12.4.2楼板 135
12.4.3铁路桥 135
第二部分 动力学 139
13 能量转换 139
13.1定义与概念 139
13.2理论背景 139
13.3模型演示 143
13.3.1运动的轮子 143
13.3.2碰撞小球 144
13.3.3串联小球的下落 145
13.4应用实例 146
13.4.1过山车 146
13.4.2不用电池的手电筒 146
14 悬挂系统 148
14.1定义与概念 148
14.2理论背景 148
14.2.1单摆 148
14.2.2广义悬挂系统 149
14.2.3平动悬挂系统和转动悬挂系统 153
14.3模型演示 153
14.3.1悬挂系统的固有频率 153
14.3.2质量对悬挂系统的影响 154
14.3.3外倾式悬挂系统的静力特性 156
14.4应用实例 157
14.4.1游乐场中的斜向悬挂木桥 157
14.4.2楼板隔振 157
14.4.3傅科摆 158
15 自由振动 159
15.1定义与概念 159
15.2理论背景 159
15.2.1单自由度系统 159
15.2.2广义单自由度系统 163
15.2.3多自由度系统 167
15.2.4梁的基频与最大变形的关系 167
15.2.5索的基频与张力的关系 169
15.3模型演示 170
15.3.1单摆系统的自由振动 170
15.3.2振动衰减与固有频率 171
15.3.3过阻尼系统 171
15.3.4离散系统的振型 172
15.3.5连续系统的振型 172
15.3.6拉杆的张力与固有频率 172
15.4应用实例 174
15.4.1音乐盒 174
15.4.2利用激振器测量结构固有频率 175
15.4.3利用环境激励测量烟囱固有频率 176
15.4.4伦敦眼的索张力 177
16 共振 179
16.1定义与概念 179
16.2理论背景 179
16.2.1单自由度系统在简谐荷载激励下的响应 180
16.2.2单自由度系统在基础简谐运动激励下的响应 184
16.2.3共振频率 185
16.3模型演示 187
16.3.1单自由度系统在基础简谐运动激励下的动力响应 187
16.3.2共振效应 188
16.4应用实例 189
16.4.1伦敦千禧桥 189
16.4.2避免共振：流行音乐会中的结构设计 191
16.4.3建筑物的共振频率测量 193
16.4.4一个有趣的共振现象 193
17 结构阻尼 196
17.1概念 196
17.2理论背景 196
17.2.1由自由振动试验确定黏滞阻尼比 196
17.2.2由受迫振动试验确定黏滞阻尼比 198
17.3模型演示 198
17.3.1观察自由振动中的阻尼效应 198
17.3.2聆听自由振动中的阻尼效应 199
17.4应用实例 200
17.4.1由自由振动试验确定阻尼比 200
17.4.2由受迫振动试验确定阻尼比 201
17.4.3减小步行引起的人行桥振动 201
17.4.4减小步行引起的楼板振动 201
18 减振 204
18.1定义与概念 204
18.2理论背景 204
18.2.1改变系统的动力特性 205
18.2.2调谐质量阻尼器 206
18.3模型演示 208
18.3.1调谐质量阻尼器（TMD） 208
18.3.2调谐液体阻尼器（TLD） 209
18.3.3隔振 210
18.4应用实例 210
18.4.1利用轮胎隔振 210
18.4.2伦敦眼 211
18.4.3伦敦千禧桥 211
19 结构振动中的人体模型 213
19.1概念 213
19.2理论背景 213
19.2.1引言 213
19.2.2振动结构中的人体模型确定 215
19.3演示试验 217
19.3.1站立人体的竖直方向模型 217
19.3.2站立人体的水平方向模型 219
19.4应用实例 221
19.4.1静止观众对看台的影响 221
19.4.2看台固有频率的计算 222
19.4.3流行音乐会中的结构动力响应 222
19.4.4间接测量站立人体的基频 223
19.4.5间接测量鸡的基频 223
索引 225