1.1　工程力学的研究对象和任务

1.1.1　工程力学的研究对象

在建筑物中承受荷载并传递荷载且起骨架作用的部分或体系称为结构，组成结构的单个物体称为构件。最简单的结构也可以是单个构件。例如，在房屋建筑中常见的楼板梁、屋架结构如图1.1所示。

在实际工程中，各建筑物的结构形式是多种多样的，按其几何特征可分为三种类型：

（1）杆系结构。由若干杆件组成的结构，杆件的几何特征是其长度尺寸远远大于横截面尺寸，如图1.1（b）所示。

（2）薄壁结构。由薄板或薄壳构成的结构，薄板或薄壳的几何特征是其厚度远远小于另两个方向的尺寸。例如，房屋建筑中的无梁楼板和水利工程中用钢筋混凝土衬砌的压力输水隧洞等都属于这类结构，如图1.2所示。

（3）块体结构。由块体组成的结构，块体几何特征是三个方向的尺寸大致为同一数量级。例如，水利工程中的挡土墙和重力坝等属于这类结构，如图1.3所示。

在上述三类结构中，工程力学的研究对象主要是杆系结构。

1.1.2　工程力学的任务

作为一个结构或构件，确保能正常工作，安全可靠地承担预定任务，则必须满足强度、刚度和稳定性等方面的安全要求，而强度、刚度和稳定性是否满足要求则综合反映了一个结构或构件的承载能力。

强度是指结构或构件抵抗破坏的能力。一个结构或构件能承受荷载而不破坏，即认为满足强度要求。如果一个结构或构件的强度不足，就有可能产生破坏，例如房屋中的楼板梁，当梁的强度不足时就会发生断裂破坏。

刚度是指结构或构件抵抗变形的能力。任何结构或构件在荷载作用下都会发生变形，为保证结构或构件能正常工作，工程上根据不同的用途，对各种结构或构件的变形给予一定的限制，只要结构或构件的变形不超过这一限值，即认为满足刚度要求。

稳定性是指结构或构件保持原有形式平衡状态的能力。例如受压的细长直杆，在压力不大时，可保持原有直线平衡状态；当压力增加到某一数值时，压杆突然变弯而丧失承载能力，这种现象称为失稳。压杆失稳后果严重的，会导致整个建筑物倒塌。因此，结构或构件必须满足稳定性要求。

上述三个方面的安全要求在结构或构件设计时都应同时考虑，但对某些结构或构件而言，有时只考虑其中某一个主要方面的要求，有的是以强度为主，有的是以刚度为主，有的是以稳定性为主。一般来说，只要主要方面的要求满足了，其他次要方面的要求也会自然满足。

一个结构或构件要满足强度、刚度和稳定性的安全要求并不难，一般只要选择较好的材料和较大截面的构件即可，但任意选用最好的材料和过大的截面，势必造成优材劣用、大材小用，导致巨大浪费。于是，建筑中的安全可靠与经济合理就形成一对基本矛盾。工程力学就是为解决这一对矛盾而形成的一门学科。工程力学的任务是在结构或构件满足强度、刚度和稳定性要求的前提下，以最为经济的代价去选择适宜的材料，确定合理的形状和尺寸，为安全和经济地设计结构和构件提供必要的理论基础和计算方法。