武际可
（北京大学力学与工程科学系，100871）
结构工程是人类文明的脊梁。
摘要 本文简要叙述结构力学的历史发展。并且对未来的结构力学提出了一些看法。 关键词：结构 结构力学 简史
§1 引言
结构工程是人类文明的脊梁。人类最早的结构大概是利用天然条件的巢居和穴居，后来发展为自己凿户建房而住。我国早在三千年之前的《周礼》这部书的《考工记》中就已经记载了各种建筑的形制。到了汉代在王延寿的《鲁灵光殿赋》中说：“于是详察其栋宇，观其结构。”出现了随着人类文明的发结构的专名词。
展，人类所建造的结构种类愈来愈多，愈来愈复杂。继房屋结构之后，又出现了道桥、
车船、水利、
机器、飞机、
火箭、兵器、化工设备、输电等各各样的结构。
雅典女神庙，坐落于雅典卫城，建于438B.C.是古希腊建筑的典型例子。
随着结构种类的多样化和复杂化，结构的概念也在扩展。目前，所谓结构，是指凡是能够承受一定荷载的固体构件及其系统的人造物都统称为结构。从更广义的意义上说，凡是承受一定载荷的固体构件及其系统自然物，如植物的根、茎、叶、动物的骨骼、血管、地壳、
岩体等也可以看作结构。
结构的发展紧密地和结构材料与结构
力学有关。前者可以看作结构工程的硬件，
后者可以看作结构工程发展的软件。
无论是东方还是西方，在使用钢、混
凝土为主要建筑材料之前，时间最长的是
以石、木、砖为建筑材料。具体来说，西
方多以石料作建筑材料，而我国和东方各
国多以砖、木为建筑材料。木结构不耐火，
也不耐腐蚀，所以我国存世古建筑历史很
长的不多。
1774年，英国工程师斯密顿
（J.Smeaton）在建造海上灯塔时石灰。粘
土、砂混合物砌基础，效果很好。1824年英国石匠营造者亚斯普丁(J. Aspdim, 1779-1885)取得了烧制水泥的专利，因其与波特兰地方的石材很相近，所以称为年使用水泥156公斤。
19世纪中叶之后，炼
钢技术得到普及于是在结
构上普遍采用钢铁 应县佛宫寺释迦塔（公元1056年）
波特兰水泥。法国1840、德国1855设水泥厂。1970年世界每人每。1859
年英国建成世界上第一艘
现代材料之后，结构的形式迅速复杂化。
力学、塑性力学、弹性钢船。1846年英国在北威
尔士建成布瑞塔尼亚铁路
大桥（1846，铁管）1873
年英国伦敦建成跨泰晤士
河的阿尔伯特吊桥，最大跨度384英尺。
在人类有了水泥、钢铁等 布瑞塔尼亚大桥（1846，铁管）
结构力学，一直是结构设计的理论基础。它的基础是经典力学、弹性体的振动与波的理论、以及弹性体平衡的稳定性理论。
§2 19世纪和以前的结构力学研究
研究，因为在以砖石木为主要结构材料的时代柱所能承受的载
荷。要元件就是板壳了。基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff
1824边界条力学是在单个连续梁的理论
理连续梁的最早学者。他在1825年的论文中最早给出了处理这一问题的三在结构力学研究的历史上，最早是静力学的主要遇到的问题是结构的平衡问题。后来才发展到有关强度的研究。 人类研究得最早的结构元件是梁。达·芬奇在他的手稿中研究和讨论了伽利略在他《关于两种新学科的对话》
（1638年）提到、考查了固定端悬臂梁的承载能力的问题。马略特作了伽利略所作的实验，由于他们的截面上平衡条件都不对，所以结果的系数都不正确。雅科比·伯努利（Jacob Bernoulli,1654－1705）关于梁的研究，这就是现今人们所称的伯努利梁理论。
结构力学的其次一种重－1887）在1850年发表了平板问题的重要论文，文章纠正了以往关于平板问题件的错误。基尔霍夫采用虚位移原理推导板的边界条件，指出对于求解平板问题只要两个边界条件便够了。他正确地求解了圆板的振动问题。在建立平板问题的方程时，他假定：1）变形时垂直于中面的直线仍保持为直线，变形后还垂直于中面，2）中面的元素在变形时不伸长。这个简化平板问题的假设现
今仍在使用，被称为直法线假设也称为基尔霍夫假设。1888年，英国人乐甫（Augustus Edward Hough Love1863－1940）利用基尔霍夫对平板问题的假设导出了弹性薄壳的平衡方程，至今这个假设被人称为基尔霍夫――乐甫假设。
实际的工程结构往往不是单一的构件，而是构件的复杂系统。早期精确的固体构件上进行研究，如梁的弯曲、柱的扭转等。后来随着近代工业的发展，越来越多地要求对复杂的结构系统进行研究。早期在静力学发展成熟时，就有处理多个构件的静力平衡问题的研究，现在，在有了变形体力学之后，有关变形固体的多个构件的内力与变形分析问题也便很自然地提到日程上来了。结构力学的内容十分广泛，吊桥、拱、桁架、梁、弹性地基、挡土墙等等。他的应用又涉及铁路、公路、造船、机械、水利、等众多的工程部门。所以随着现代工业的发展它的内容也逐渐丰富了起来。
1．纳维是实际上处弯矩方程。但还不是现在的形式。真正现在形式的三弯矩方程是克拉珀龙
（B.P.E.Clapeyron,1799－1864）于1849年在重建巴黎附近的一座桥梁时发展出来的，到1857年才以论文的形式发表。1855贝尔托（H.Bertot）的论文最早提到了三弯矩方程。
2． 麦克斯韦耳及其对桁架的研究
桁架研究的一般结论。他已经可以区分静定与超静定桁 卡斯蒂利亚诺定理
astiliano,1847－1884）是意大利工程师。1873年他的工程师学位论文将变形能写为广义力的函数
1864年麦克斯韦耳总结他关于架。对于静定桁架，麦克斯韦耳在前人的基础上简化了用作图的方式去求桁架的内力。对于超静定桁架，麦克斯韦耳从能量法导出了解超静定结构的一般方法。大约在10年之后，他的这个方法为莫尔(O. Mohr, 1835－1918)加以整理，给出规范的形式，这就是目前通用的力法，又称为麦克斯韦耳――莫尔方法。
3．卡斯蒂利亚诺（A.K 在1875年正式出版。论文中包含了现今称为的卡斯蒂利亚诺定理与单位荷载法等结构力学的经典内容。
他的定理是，若),,1(),,,(1n i P P P V V i n L L ==为广义外力，则有
,i i
p P V =∂∂ 其中 ),,1(n i L =),,1(n i p i L = 为广义位移。
§2 20世纪结构力学的进展
就建立了。用形变法求解超静定刚架结构是20世纪初最，结构变得越来越复杂。从本世纪开始，从建筑、造船、航空、桥梁、
求解超静定结构的力法是19世纪末早由本笛克森（Axel Bendixen）在1914年给出的。这种方法求解较多未知量问题时，在30年代由克罗斯（Hardy Cross）提出了一种逐次近似的方法，称为松弛法。这个方法在美国很快得到了推广。
随着人类文明的发展车辆、起重机械、大型水坝、隧道与地下结构等等方面不断提出越来越复杂的结构课题，需要对它们的强度进行分析。为了对这些复杂结构进行分析，人们不得不引进一系列假设对结构进行简化。这种简化在现在看来未免过于粗略，但是它是人类在处理简单结构到迎来计算机时代之间的一种过渡手段。例如，拱坝是一种比较复杂的结构，要想准确分析它，需要求解变厚度壳的方程，那是十分复杂的计算工作。美国在1929年采用了一种称为“拱贯梁”的近似方法，这种方法是把坝在水平方向分为若干条拱，在铅直方向分为若干条梁，然后利用载荷分配的方法逐步近似求解。在电子计算机出现后，拱贯梁法已经被淘汰，但它的确在 历史上起过重要作用。
结构的复杂化是沿着两个方向发展的，一个方面是构件简单，例如梁与杆，但是用它组
成越3 计算结构力学的发展
，从算筹、算盘、手摇计算机、电动计算机，已经有几千年电子计算机ENIAC 的设计方案是莫希利（J.W.Mauchly,1907－1980）提出的。研
制小代：从
1945而计开头，总结力学发展的来越复杂的系统，
未知量成百上千，另一方面是发展复杂的构件，板、壳及其组合系统。板壳理论到乐甫时代，就已经建立了，到20纪30－40年代又有一个大发展的阶段。这时提出与解决了一批新的问题，如稳定性问题、非线性板壳问题、板壳的一般理论问题等。俄国杰出的工程师帕颇考维奇（П.Ф.Папкович，1887－1946）于1947年出版的《船 舶结构力学》两大卷，是20世纪早期研究复杂结构成果的总结。
§人类研究计算工具有很久的历史了。1945年在美国诞生的电子计算机既是计算工具的革命，又是牵动整个科学技术的大革命。
最早的组的总工程师是埃克特（J.P.Eckert,1919－）
。1945年底，ENIAC 宣告竣工。 计算机一旦来到世界上，便受到人们的热情关注与不断改进。先后经过了四次换年到1958年以电子管来制造计算机为第一代，
从1959年到1963年以晶体管来制造计算机为第二代，从1964年到70年代初以集成电路来制造计算机为第三代，从70年代以后用大规模集成电路制造巨型计算机为第四代。特别是，从70年代中开始的微处理机，使计算机的性能大大提高，并且由于价格便宜使计算机大为普及。据有人统计，从1945年第一台计
算机诞生起，计算机的性能每18个月提高一倍，计算机的价格每18个月降低一半。
自有史以来人类发明的各种工具，都是延长人的器官，如望远镜、显微镜是延长人的眼。
算机则是延长人的脑。所以人们又把计算机称为“电脑”
。计算机从它的原理、设计、制造与应用已经形成了一个新的庞大的学科，这就是计算机科学。
在20纪初，英国著名的力学家乐甫在他的名著《数学弹性理论》一规律时说：定理越来越少，计算越来越繁。意思是说一些有比较狭义意义的定理被一些更广泛意义的定理所包含，而计算公式越来越复杂。因而力学研究极大的困难在于计算太慢。计算工具太慢就成为力学研究与发展的瓶颈。美国人发明电子计算机的初衷也正是为了解决计算弹道这个典型复杂的力学问题开始的。计算机的产生使力学学科发生了巨大变化。结构分析、弹道计算、空气动力计算、数值天气预报、渗流与地下水的运动规律、天体力学中的
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