01 / 导读
导读
引用
Ji, T., Bell, A. J., & Ellis, B. R. (2015). Understanding and Using Structural Concepts (2nd ed.). CRC Press.
章节概要
第二版约390页，收有555幅黑白插图。开篇的概述章之后分为三个部分：静力学（Statics，十二章）、动力学（Dynamics，七章）和综合（Synthesis，四章），据出版社介绍，最后一部分是本版新增的。前两部分几乎每一章都采用同样的四步结构：定义与概念、理论背景、模型演示、工程实例。演示用的是可以在普通课堂教学中使用的简单实物模型；工程实例则展示该概念在实际工程结构中如何发挥作用。
第1章：Overview of Structural Concepts（结构概念概述）
简短的导论章：什么是结构概念，为什么值得学习，学习结构概念有哪些途径；并说明全书的组织方式，给出使用本书的建议。
第一部分 第2–7章：Equilibrium（平衡）；Centre of Mass（质心）；Effect of Different Cross Sections（不同截面的影响）；Stress Distribution（应力分布）；Bending（弯曲）；Shear and Torsion（剪切与扭转）
静力学的前半部分讲结构力学入门课程中的基本观念：平衡条件，质心及其在稳定性中的作用，截面形状如何影响刚度和强度，应力如何分布，以及构件在弯曲、剪切和扭转下的行为。每个主题单独成章，篇幅约十到十八页；在结构分析教材中通常夹在较长章节里的概念，在这里被逐一拆出来演示。
第一部分 第8–13章：Span and Deflection（跨度与挠度）；Direct Force Paths（直接传力路径）；Smaller Internal Forces（更小的内力）；Buckling（屈曲）；Prestress（预应力）；Horizontal Movements of Structures Induced by Vertical Loads（竖向荷载引起的结构水平位移）
静力学的后半部分从构件行为转向设计思维。跨度与挠度一章把构件长度与挠度大小联系起来。直接传力路径和更小的内力两章给出判断哪种结构布置传力更高效的准则（小节标题分别为“定义、概念与准则”和“概念与一条准则”）。这一部分最后讨论屈曲、预应力，以及不太常见的竖向荷载引起水平位移的问题。
第二部分 第14–17章：Energy Exchange（能量交换）；Pendulums（摆）；Free Vibration（自由振动）；Resonance（共振）
动力学从动能与势能的相互转换讲起，再以摆为桥梁过渡到自由振动和共振。同样的四步章节结构延续下来，因此动力行为先通过模型引入，再展示其在实际结构中的应用。
第二部分 第18–20章：Damping in Structures（结构阻尼）；Vibration Reduction（减振）；Human Body Models in Structural Vibration（结构振动中的人体模型）
动力学的其余章节讨论振动如何耗散和控制，最后一章讲结构振动中的人体建模，即把使用结构的人视为其动力系统的一部分。这一章用“演示试验”代替了模型演示。
第三部分 第21–24章：Static and Modal Stiffnesses（静刚度与模态刚度）；Static and Dynamic Problems（静力问题与动力问题）；Experimental and Theoretical Studies（试验研究与理论研究）；Theory and Practice（理论与实践）
综合部分的体例有所不同：每章有各自的小节和小结。第21章定义静刚度和模态刚度，推导两者的关系，并加以验证和应用。第22章把静力量与动力量联系起来：最大位移、屈曲荷载、拉力和周期荷载分别与基本自振频率或等效静力荷载建立联系。第23章把试验与理论的关系归纳为六种模型（比较、整合、验证、解释、创造和拓展）。第24章考察结构概念的理论来源与实践来源，讨论如何弥合理论与实践之间的差距。
核心概念
第1章与第一部分：静力学
- 结构概念：可以从物理上理解、进而用于分析与设计的结构行为原理；第1章讨论哪些内容算作结构概念。
- 平衡与质心：物体保持静止的条件，以及其重力作用的点，是稳定性的基础。
- 截面与弯曲：截面的形状和方位如何决定构件抵抗弯曲、剪切和扭转的能力。
- 直接传力路径：力沿更短、更直接的路线传到支座时，结构传力更高效。
- 更小的内力：通过结构布置减小内力，并给出比较不同方案的准则。
- 屈曲与预应力：受压构件的失稳，以及预先施加力以改善结构性能。
第二部分：动力学
- 能量交换：动能与势能之间的转换，是振动的基础。
- 自振频率与共振：结构自由振动的频率，以及荷载频率接近它时出现的大幅响应。
- 阻尼与减振：振动能量的耗散，以及抑制有害振动的措施。
- 人体模型：把人表示为与其所处结构相互作用的动力系统。
第三部分：综合
- 静刚度与模态刚度：静荷载下的刚度和与某一振型相关的刚度这两种度量，以及二者之间的关系。
- 静力—动力关系：位移、屈曲荷载或索的拉力与基本自振频率之间的联系。
- 试验—理论关系模型：试验研究与理论研究相互支持的六种方式。
评析
优点
- 实物演示。 出版社的介绍强调可用于常规教学的简单演示模型，几乎每一章都有模型演示一节。Peter Bullman 在《The Structural Engineer》上评论说，作者们以用实物模型演示结构概念而著称，本书将使他们的方法得到更广泛的应用。
- 结构可预期。 定义、理论、演示、实例的模式反复出现，读者可以逐个掌握概念，从直觉走向理论，再走向实际结构。牛津大学的 Martin Williams 在出版社页面的推荐语中指出，许多学生感到困惑的结构概念，其实无需借助数学，用简单的物理语言就能理解。
- 静力学与动力学兼顾。 动力学七章涵盖阻尼、减振以及人与结构的相互作用，超出了大多数入门结构教材的范围。考文垂大学的 Messaoud Saidani 特别指出，同时覆盖静力与动力、并讨论试验与理论之间的关系，在结构分析类书籍中相当少见。
- 以研究为基础的内容。 Ji 和 Bell 是曼彻斯特大学的高级讲师，在各个层次讲授结构分析和结构设计（Ji 研究结构动力学和结构概念）；Ellis 曾任英国建筑研究院（Building Research Establishment）技术总监，工作包括对结构进行现场测试和监测。出版社指出，本书吸收了基于最新研究的教学材料，综合部分和人体模型一章正体现了这一点。
局限
- 是辅助读物而非主教材。 Williams 把本书定位为对更偏分析的结构教材的补充；书中不讲超静定结构的分析方法或矩阵方法，理论部分只是简短的背景说明，而非完整推导。
- 目标读者范围很宽。 出版社把各年级学生、研究生、建筑学学生和咨询工程师都列为读者。尤其是第三部分关于模态刚度、静力—动力关系和试验理论的内容，所需的基础超出一年级学生的水平。
- 没有材料与规范方面的章节。 目录中没有讨论具体材料（钢、混凝土、木材）或按规范设计的章节；本书讲的是贯通各类结构的概念，而不是构件设计。
在课程中的定位
在本课程中，这本书介于两类读物之间。J. E. Gordon 的《Structures: Or Why Things Don't Fall Down》是面向普通读者和初学者的非技术性读物，更适合作为起点；Ji、Bell 和 Ellis 沿着同样的直观思路更进一步，为每个概念补充了定义、简要理论和工程实例。Hibbeler 的《Structural Analysis》和 Megson 的《Structural and Stress Analysis》是偏重分析的课程教材，配合例题讲授静定和超静定结构的分析方法。本书最好与它们并行，一章一章地读，作为对计算背后物理意义的解释。
另外两本更专门的课程教材分别对应本书的特定部分。McGuire、Gallagher 和 Ziemian 的《Matrix Structural Analysis》把第一部分和第21章从物理角度讨论的刚度概念加以形式化。Chopra 的《Dynamics of Structures》完整展开了第二部分通过摆、共振和阻尼引入的振动理论；在学习结构动力学课程之前，第二部分和第22章是很好的预习材料。
如何使用本书
本书适合一年级起的土木与结构工程专业学生、对技术感兴趣的建筑学学生，以及希望加强结构直觉的工程师。第一部分只需要中学数学和工科早期学到的初等静力学；第二部分需要基础力学；第三部分最好在学过结构分析和结构动力学之后再读。
实用的阅读计划：
- 先读第1章，其中说明了全书的组织和使用方法。
- 第一部分与第一门结构力学或结构分析课程同步阅读，把章节与课程内容对应起来：第2–7章配合静力学与材料力学，第8–13章配合设计与稳定性的入门内容。
- 主动利用四步结构。 先读定义，在阅读每个模型演示的结果之前先自己预测；条件允许时动手做简单模型；然后在工程实例中，以及在身边的建筑和桥梁中寻找这一概念。
- 第二部分在课程中第一次出现振动时阅读，或在学习结构动力学课程之前阅读。如果对使用者如何影响结构振动不感兴趣，第20章可以略过。
- 第三部分留待以后阅读。 第21–22章适合学过动力学的学生；第23–24章适合开始做结合试验与分析的项目或研究的学生。
各章相对独立，读者可以直接翻到剪切、屈曲、共振等感到困难的主题。本书有意把计算写得很简短，因此手边最好备一本偏重分析的教材。