Санкт-петербург-москва краснодар

ВВЕДЕНИЕ


Строительной механикой, согласно принятому определению, называет­ся наука о расчете сооружений на прочность, жесткость п устойчивость. Однако это определение требует пояснений. В строительной механике изу­чаются не сами сооружения, а идеализированные представления о них, ко­торые описываются темп плп иными уравнениями. Эти идеализированные представления называются расчетными схемами. В курсах сопротивления материалов п теории упругости изучаются отдельные объекты: стержни, пластинки, оболочки п т. д. В строительной механике изучаются объек­ты, представляющие системы, состоящие из стержней, пластин, оболо­чек, массивов п др., т. е. строительная механика рассматривает составные объекты, представляющие собой модели реальных конструкций. Этими конструкциями могут быть здания, сооружения, машины, транспортные средства п др.
Важнейшей частью строительной механики, в которой формируются ее основные понятия, является строительная механика стержневых систем, с которой обычно начинается ее изложение.
Еще римский архитектор Марк Витрувий (1 в. до н. э.) в своем трактате «Десять книг об архитектуре^— единственном дошедшим до нас античном трактате по этому вопросу, провозгласил три важнейших требования к лю­бому сооружению: прочность, польза, красота. Эти требования остались неизменными п в наши дни.
Строительная механика — наука о прочности конструкций, как ни­какая другая, следовала требованиям практики п развивалась смеете с практикой — в первую очередь строительства, а затем п машиностроения. Поэтому методы строительной механики несут на себе печать времени, места, где они были созданы п личности их создателя. Историю разви­тия методов строительной механики можно связать с историей развития промышленности п строительства, культуры п науки в различных странах

9

в разное время, что представляет большой интерес для истории культу­ры в целом. Вместе с тем, полная история строительной механики еще не написана. История строительной механики, особенно на начальном эта­пе развития, неотделима от истории наук о прочности в целом. Этому вопросу посвящено несколько замечательных книг: С. П. Тимошенко «История науки о сопротивлении материалов (перевод с английского)» (М., 1955); С. А. Бернштейн «Очерки по истории строительной механики»; Н. Н. Малинин «Кто есть кто в сопротивлении материалов».
В начальный период своего развития строительная механика не была самостоятельной наукой, а сливалась с общей механикой. Самостоятельно как наука строительная механика стала успешно развиваться лишь в пер­вой половине XIX в. в связи с начавшимся усиленным строительством мо­стов, железных дорог, плотин, судов и крупных промышленных сооруже­ний. Отсутствие методов расчета таких сооружений не позволяло осуще­ствлять достаточно легкие и одновременно надежные конструкции.
Начало науки о прочности связывают обычно с именем знаменито­го физика, математика и астронома Галилео Галилея (1564—1642), когда развитие судоходства поставило задачу увеличения тоннажа судов и из­менения их конструкций. Галилей, занимавшийся этим вопросом, устано­вил, что при увеличении размеров судов одним только пропорциональным увеличением всех размеров брусьев нельзя обеспечить их прочность; он доказал, что геометрически подобные тела, находящиеся под действием собственной массы, не являются одинаково прочными. Развитию науки о прочности в XVIII в. в большой степени способствовали успехи высшей математики и механики; особо важное значение имели работы Эйлера и Лагранжа.
Наш великий соотечественник М. В. Ломоносов (1711 — 1765), один из первых занимавшийся вопросами прочности материалов, сделал ряд заме­чательных открытий в самых разнообразных областях науки. Величайшей заслугой Ломоносова является то, что он фактически подошел к открытию всеобщего закона сохранения материи, а тем самым и закона сохранения энергии, имеющего исключительно большое значение и для строительной механики. В частности, с помощью этого закона установлен универсаль­ный метод определения перемещений.
Знаменитый русский механик И. П. Кулибин (1733—1818), известный многими изобретениями в различных областях техники, используя законы общей механики, дал в 1776 г. проект арочного деревянного моста проле­том 300 м через реку Неву в С.-Петербурге. Для определения очертания оси арки он применил веревочный многоугольник. С помощью модели он определил распор арки; эта работа положила начало экспериментальному

10

методу в мостостроении (методу испытания моделей всего сооружения и его частей). Чтобы оценить роль Кулибина в мостостроении XVIII в., следует указать на то, что наибольший пролет деревянного моста то­го времени, построенного братьями Груберман в 1778 г., достигал лишь 119 м. Проект Кулибина получил высокую оценку такого выдающегося русского мостостроителя, как Д. И. Журавский, который писал об ар­ке кулибинского моста: «На ней печать гения; она построена по системе, признаваемой новейшей наукой самою рациональною; мост поддерживает арка, изгиб ее предупреждает раскосная система, которая, по неизвестно­сти того, что делается в России, называется американскою». В то время, когда металлические мосты, и притом малых пролетов, еще только начи­нали строить, Кулибин разработал проект трехарочного стального моста протяжением 260 м и сконструировал его модель.
Свое дальнейшее развитие теория и практика мирового мостострое­ния получила в трудах знаменитого русского инженера Д. И. Журавского (1821 — 1891). Он разработал теорию расчета плоских ферм. Многие тео­ретические и экспериментальные его исследования, обобщенные в класси­ческом труде «О мостах раскосной системы Гау», сохраняют свое значение и поныне. Этот выдающийся труд, получивший высокую оценку русского академика П. JI. Чебышева (1821 —1899), был удостоен Демидовской пре­мии русской Академии наук. В этом труде Д. И. Журавский теоретически и экспериментально установил закон распределения усилий, возникающих в различных частях раскосных ферм под действием нагрузок. Свои теорети­ческие выводы о распределении усилий в элементах решетки он проверил испытанием модели фермы с помощью созданного им «струнного метода». Тяжи модели заменялись струнами одинаковой толщины; эти струны-тяжи с помощью натяжных приспособлений настраивались на одинаковый тон. при загружении модели натяжение струн изменялось. При проведении по струнам скрипичным смычком струны-тяжи у опор издавали звук более высокого тона, чем струны, расположенные в средних панелях. Это со всей очевидностью доказывало, что наибольшие усилия возникают в элемен­тах решетки, расположенных в опорных панелях. Струнный метод не по­терял своего значения и до настоящего времени. Д. И. Журавский создал научные основы теории мостостроения и положил начало широким теоре­тическим исследованиям в этой области. Д. И. Журавский создал науч­ные основы теории мостостроения и положил начало широким теоретиче­ским исследованиям в этой области. Д. И. Журавский впервые предло­жил при сооружении мостов больших пролетов увеличивать высоту стоек ферм от опор к середине пролета. Ему принадлежит также создание теории касательных напряжений при изгибе.

11

Значительный вклад в строительную механику сделал профес­сор X. С. Головин (1844—1904). Им в 1882 г. был предложен расчет упру­гой арки методами теории упругости; он одним из первых использовал в строительной механике «принцип наименьшей работы».
Выдающийся воспитатель инженерных кадров в России профессор Н. А. Белелюбскпй (1845— 1922) был также одним из крупнейших русских пнженеров-мостостроптелей. Он спроектировал большое количество ме­таллических мостов п в том числе величайший для своего времени по про­тяженности п совершенству конструкции Сызранскпй мост через р. Волгу п двухъярусный мост через р. Днепр возле Днепропетровска, разрушен­ный во время Великой Отечественной войны. Белелюбскпй первым в на­шей стране применил на строительстве мостов железобетон. Он содей­ствовал созданию русской цементной промышленности, активно боролся за распространение в России железобетонных конструкций п был одним из первых инженеров в мире, применившим в мостостроении литое железо п доказавшим огромное прогрессивное значение этого нового материала. Вслед за ним металлические мосты из литого железа начали широко стро­ить п за границей. Н. А. Белелюбскпй был издан курс строительной ме­ханики. Большое научное наследство, оставленное нм, является ценным вкладом в строительную механику.
Важное значение для развития строительной механики имели труды профессора Ф. С. Ясинского (1856—1899), автора выдающихся исследо­ваний по теории расчета стержней на устойчивость п ряда других работ по строительной механике.
Блестящие исследования по теории динамического расчета рельсов были опубликованы в конце прошлого п начале текущего столетия ака­демиком Н. П. Петровым (1836—1920).
Большую роль в развитии строительной механики сыграли также ра­боты талантливого инженера п педагога, профессора В. J1. Кпрппче- ва (1845—1913), воспитавшего несколько поколений русских инженеров. В. J1. Кпрппчевым был открыт важный по своему практическому значению закон упругого подобия. Этот закон он сформулировал следующим обра­зом: «Два тела, сделанные пз одного п того же материала, которые были подобны до приложения к ним внешних сил, остаются подобными п после действия пх, если силы распределены подобным образом по поверхности обоих тел, а величины соответствующих сил на единицу поверхности одина­ковы в обоих телах. При этом все внутренние силы первого тела будут равны соответственно силам второго, т. е. оба тела будут одинаково прочны».
Теория подобия п методы физического моделирования получили боль­шое развитие в нашей стране.

10

методу в мостостроении (методу испытания моделей всего сооружения п его частей). Чтобы оценить роль Кулибина в мостостроении XVIII в., следует указать на то, что наибольший пролет деревянного моста то­го времени, построенного братьями Груберман в 1778 г., достигал лишь 119 м. Проект Кулибина получил высокую оценку такого выдающегося русского мостостроителя, как Д. И. Журавский, который писал об ар­ке кулпбпнского моста: «На ней печать гения; она построена по системе, признаваемой новейшей наукой самою рациональною; мост поддерживает арка, изгиб ее предупреждает раскосная система, которая, по неизвестно­сти того, что делается в России, называется американскою». В то время, когда металлические мосты, п притом малых пролетов, еще только начи­нали строить, Кулибин разработал проект трехарочного стального моста протяжением 260 м п сконструировал его модель.
Свое дальнейшее развитие теория п практика мирового мостострое­ния получила в трудах знаменитого русского инженера Д. И. Журавского (1821 —1891). Он разработал теорию расчета плоских ферм. Многие тео­ретические п экспериментальные его исследования, обобщенные в класси­ческом труде «О мостах раскосной системы Гау», сохраняют свое значение п поныне. Этот выдающийся труд, получивший высокую оценку русского академика П. JI. Чебышева (1821 — 1899), был удостоен Демидовской пре­мии русской Академии наук. В этом труде Д. И. Журавский теоретически п экспериментально установил закон распределения усилий, возникающих в различных частях раскосных ферм под действием нагрузок. Своп теорети­ческие выводы о распределении усилий в элементах решетки он проверил испытанием модели фермы с помощью созданного им «струнного метода». Тяжи модели заменялись струнами одинаковой толщины; эти струны-тяжп с помощью натяжных приспособлений настраивались на одинаковый тон. при загруженпп модели натяжение струн изменялось. При проведении по струнам скрипичным смычком струны-тяжп у опор издавали звук более высокого тона, чем струны, расположенные в средних панелях. Это со всей очевидностью доказывало, что наибольшие усилия возникают в элемен­тах решетки, расположенных в опорных панелях. Струнный метод не по­терял своего значения п до настоящего времени. Д. И. Журавский создал научные основы теории мостостроения п положил начало широким теоре­тическим исследованиям в этой области. Д. И. Журавский создал науч­ные основы теории мостостроения п положил начало широким теоретиче­ским исследованиям в этой области. Д. И. Журавский впервые предло­жил при сооружении мостов больших пролетов увеличивать высоту стоек ферм от опор к середине пролета. Ему принадлежит также создание теории касательных напряжений при изгибе.

11

Значительный вклад в строительную механику сделал профес­сор X. С. Головин (1844—1904). Им в 1882 г. был предложен расчет упру­гой арки методами теории упругости; он одним из первых использовал в строительной механике «принцип наименьшей работы».
Выдающийся воспитатель инженерных кадров в России профессор Н. А. Белелюбский (1845—1922) был также одним из крупнейших русских инженеров-мостостроителей. Он спроектировал большое количество ме­таллических мостов и в том числе величайший для своего времени по про­тяженности и совершенству конструкции Сызранский мост через р. Волгу и двухъярусный мост через р. Днепр возле Днепропетровска, разрушен­ный во время Великой Отечественной войны. Белелюбский первым в на­шей стране применил на строительстве мостов железобетон. Он содей­ствовал созданию русской цементной промышленности, активно боролся за распространение в России железобетонных конструкций и был одним из первых инженеров в мире, применившим в мостостроении литое железо и доказавшим огромное прогрессивное значение этого нового материала. Вслед за ним металлические мосты из литого железа начали широко стро­ить и за границей. Н. А. Белелюбским был издан курс строительной ме­ханики. Большое научное наследство, оставленное им, является ценным вкладом в строительную механику.
Важное значение для развития строительной механики имели труды профессора Ф. С. Ясинского (1856—1899), автора выдающихся исследо­ваний по теории расчета стержней на устойчивость и ряда других работ по строительной механике.
Блестящие исследования по теории динамического расчета рельсов были опубликованы в конце прошлого и начале текущего столетия ака­демиком Н. П. Петровым (1836—1920).
Большую роль в развитии строительной механики сыграли также ра­боты талантливого инженера и педагога, профессора В. J1. Кдрпиче- ва (1845—1913), воспитавшего несколько поколений русских инженеров. В. J1. Кирпичевым был открыт важный по своему практическому значению закон упругого подобия. Этот закон он сформулировал следующим обра­зом: «Два тела, сделанные из одного и того же материала, которые были подобны до приложения к ним внешних сил, остаются подобными и после действия их, если силы распределены подобным образом по поверхности обоих тел, а величины соответствующих сил на единицу поверхности одина­ковы в обоих телах. При этом все внутренние силы первого тела будут равны соответственно силам второго, т. е. оба тела будут одинаково прочны».
Теория подобия и методы физического моделирования получили боль­шое развитие в нашей стране.

12

Необычайно разносторонней была деятельность выдающегося акаде­мика В. Г. Шухова (1853—1939). Большое количество своих работ он по­святил различным проблемам строительной механики и, в частности, ста­тике сооружений. Гиперболоидные ажурные башни, а также наливные реч­ные и морские суда и сетчатые своды широко применяются во всех стра­нах мира. По свидетельству академика А. Н. Крылова, Шухов в основу своей инженерной деятельности положил поиски «наивыгоднейших соот­ношений между элементами конструкции и наивыгоднейших условий по­стройки и эксплуатации». В своей работе «Стропила», изданной в 1897 г., Шухов писал: «...Выработанный мною аналитический расчет стропиль­ных ферм... дает ответ на вопросы об определении усилий, воспринимае­мых на себя различными частями фермы, об определении веса этих частей и о назначении в проекте наивыгоднейшего геометрического расположе­ния всех частей фермы, при котором вес употребляемого на устройство фермы металла был бы наименьший».
Большой вклад в строительную механику внес профессор JI. Д. Про­скуряков (1858—1926). По его проекту был построен первый мост со шпренгельными фермами через реку Енисей. По рациональности кон­струкции мост этот был признан одним из наиболее удачных решений перекрытия больших пролетов. Проект моста со шпренгельными фер­мами создал Проскурякову широкую известность. В этом проекте для определения усилий в фермах он впервые для своего времени применил линии влияния. Проскуряковым написан также учебник по строительной механике.
Большую роль сыграли русские ученые также и в развитии теории упругости, теории пластичности, динамики сооружений, теории устойчиво­сти и т. д. Мировую известность получили труды профессора С. П. Тимо­шенко (1878—1972).
Бурный рост всего народного хозяйства и строительства в советский период потребовал расширения сети высших технических учебных за­ведений, научно-исследовательских институтов и проектных организа­ций. Перед советской строительной механикой встал целый ряд серь­езных задач, успешно разрешенных нашими учеными. Об этом крас­норечиво говорит опубликованный по инициативе чл.-корр. АН СССР И. М. Рабиновича* обзор достижений строительной механики стержневых систем в СССР за 50 лет, охватывающий только в этой области несколько тысяч наименований трудов различных советских авторов.