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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