結構分析

引用

Hibbeler, R. C. (2024). Structural Analysis (11th ed.). Pearson.

章節概要

第十一版共十七章，另有結構分析用矩陣代數的附錄、預備題與基本題的解答，以及部分習題的答案。Pearson 稱本書講述桁架、梁和剛架的結構分析理論與應用，其組織方式旨在培養為專業實踐而對結構建模和分析的能力。各章可分為四組：靜定結構、撓度、超靜定結構的經典分析，以及矩陣方法與電腦分析。出版社的頁面只給出章標題，所以下面各條緊扣標題。

靜定結構：Types of Structures and Loads（結構與荷重的類型）；Analysis of Statically Determinate Structures（靜定結構的分析）；Analysis of Statically Determinate Trusses（靜定桁架的分析）；Internal Loadings Developed in Structural Members（結構構件中產生的內力）

全書從結構的類型及其承受的荷重講起，隨後分析靜定結構、桁架和構件中的內力。

靜定結構（續）：Cables and Arches（纜索與拱）；Influence Lines for Statically Determinate Structures（靜定結構的影響線）

靜定結構的另外兩個主題：纜索與拱，以及顯示荷重在結構上移動時響應如何變化的影響線。

撓度：Deflections（撓度）；Deflections Using Energy Methods（用能量法求撓度）

兩章講撓度，第二章使用能量法。在目錄順序中，它們排在超靜定結構各章之前。

超靜定結構的經典分析：Analysis of Statically Indeterminate Structures by the Force Method（用力法分析超靜定結構）；Displacement Method of Analysis: Slope-Deflection Equations（位移法：轉角位移方程）；Displacement Method of Analysis: Moment Distribution（位移法：力矩分配法）

力法和兩種位移法（轉角位移方程和力矩分配法），是求解超靜定梁和剛架的手算方法。

近似與特殊情形：Approximate Analysis of Statically Indeterminate Structures（超靜定結構的近似分析）；Beams and Frames Having Nonprismatic Members（含變截面構件的梁與剛架）

超靜定結構的近似分析，以及截面變化的構件的處理。

矩陣方法：Truss Analysis Using the Stiffness Method（用剛度法分析桁架）；Beam Analysis Using the Stiffness Method（用剛度法分析梁）；Plane Frame Analysis Using the Stiffness Method（用剛度法分析平面剛架）；Structural Modeling and Computer Analysis（結構建模與電腦分析）

剛度法依次應用於桁架、梁和平面剛架，最後一章 Structural Modeling and Computer Analysis 講為電腦分析而對結構建模。據 Pearson 對本版國際單位制版本的介紹，本版增加了結構建模方面的內容。

核心概念

靜定結構與撓度

• 結構與荷重的類型：用來設定分析的分類。
• 內力：結構構件內部產生的力。
• 影響線：靜定結構的工具，顯示移動荷重的影響。
• 撓度的能量法：本書兩章撓度內容中的第二章。

超靜定結構

• 力法：為超靜定結構列出的第一種方法。
• 轉角位移方程與力矩分配法：目錄中點名的兩種位移法。
• 近似分析：單獨成章，排在位移法之後。

矩陣與電腦方法

• 剛度法：分別在桁架、梁和平面剛架的章中應用。
• 結構建模：最後一章的主題，與電腦分析一起。
• 矩陣代數：在附錄中複習。

評析

優點

• 從靜定到電腦分析的完整路徑。 十七章涵蓋靜定結構分析、撓度、力法、兩種位移法，以及針對三類結構的剛度法，對一冊書來說跨度很大。
• 手算方法與矩陣方法兼備。 除轉角位移方程和力矩分配法外，還有桁架、梁和平面剛架的剛度法各章，以及關於建模和電腦分析的最後一章，經典方法和矩陣方法都有。
• 自學輔助。 附錄複習矩陣代數，書中收有預備題與基本題的解答以及部分習題的答案。Pearson 稱國際單位制版本有約30%的新習題，來自多個工程領域。
• 強調建模。 Pearson 的概述強調培養為專業實踐而對結構建模和分析的能力。

局限

• 範圍。 章標題中不含結構動力學，也不含鋼結構或混凝土結構的設計，本書講的是分析。
• 以先修力學為前提。 目錄從靜定結構開始，沒有複習靜力學或材料力學的章，因此這些科目被視為已經學過。
• 版本細節。 Pearson 列出的出版日期為2023年7月25日，版權年份為2024年，平裝租賃版的ISBN被標註為2023年更新。
• 公開的細節很少。 Pearson 的公開頁面只有章標題和簡短概述，沒有小節標題或樣章，所以在翻開書之前，很難判斷某一章的深度。

在課程中的定位

在這份書單的土木與結構工程圖書中，Hibbeler 的 Structural Analysis 是分析桁架、梁和剛架的大學部主要教材。Megson 的 Structural and Stress Analysis 是一本英國教材，把材料力學和結構分析合在一本課程教材中，內容涉及能量法、超靜定結構、矩陣方法、塑性分析和結構失穩。想要一本書同時學兩門科目的學生可以選 Megson，而 Hibbeler 適合在學過材料力學之後的獨立結構分析課程。

要更平緩的入門，J. E. Gordon 的 Structures: Or Why Things Don't Fall Down 和 Ji、Bell、Ellis 的 Understanding and Using Structural Concepts 用非技術、視覺化的方式解釋結構如何工作。更進一步，McGuire、Gallagher 和 Ziemian 的 Matrix Structural Analysis 深入展開剛度法並附有MASTAN2程式，Chopra 的 Dynamics of Structures 則延伸到振動和地震分析。

如何使用本書

本書適合土木、結構等工程專業的學生，靜力學和材料力學是自然的準備。一個切實可行的讀法如下：

• 核心： 按目錄順序讀靜定結構、撓度和力法各章，然後讀轉角位移方程和力矩分配法。
• 選讀： 纜索與拱、影響線和近似分析，視課程內容而定。
• 矩陣方法： 三個剛度法章；如有需要，先讀矩陣代數附錄。關於建模和電腦分析的最後一章，適合使用結構分析軟體的課程。
• 練習： 在做指定的習題之前，用預備題與基本題的解答檢驗方法。