結(jié)構(gòu)特點及鋼結(jié)構(gòu)材料性能培訓(xùn)講義

第一章緒論第一節(jié)我國鋼結(jié)構(gòu)的概況第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展第四節(jié)課程的內(nèi)容、特點和學(xué)習(xí)方法第一節(jié)我國鋼結(jié)構(gòu)概況

從建國以來分三階段：50~60年代（初盛時期）：借助蘇聯(lián)的經(jīng)濟和技術(shù)支援，有百十個項目，都是重型工業(yè)廠房；60年代中后期~70年代（低潮期）：冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼屋蓋；80年代以后~至今（發(fā)展時期）：向高、大、重方向發(fā)展。一、鋼結(jié)構(gòu)的特點1、鋼結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量輕、強度高2、材質(zhì)均勻，和力學(xué)計算的假定比較符合3、鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工周期短，可拆卸4、塑性和韌性好5、密閉性好5、鋼材耐腐蝕性差6、鋼材耐熱但不耐火鋼拉桿和壓桿性能比較第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用C30混凝土

密度：2450kg/m3

強度：14.3N/mm2

Q235鋼

密度：7850kg/m3

強度：235N/mm2二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1、大跨度鋼結(jié)構(gòu)2、重型廠房鋼結(jié)構(gòu)3、受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)4、可拆卸的結(jié)構(gòu)5、高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑6、容器和其他構(gòu)筑物7、輕型鋼結(jié)構(gòu)會展場館體育建筑機場劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物上海新國際博覽中心湖南國際會展中心廣州會展中心會展場館體育建筑機場劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物2008奧運會國家體育場上海虹口足球場上海八萬人體育場會展場館體育建筑機場劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物浦東國際機場首都機場會展場館體育建筑

機場劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物上海大劇院國家大劇院會展場館體育建筑

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劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物金茂大廈1998年建成88層420m混凝土核心筒，鋼巨型外伸桁架,鋼骨混凝土巨型柱會展場館體育建筑

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劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物輸電塔電視塔通訊塔會展場館體體育建筑筑機場劇院高層建筑塔塔桅結(jié)構(gòu)構(gòu)廠房倉儲住宅宅橋梁儲罐罐其他輕鋼廠房大眾汽車三三期工程山東省日照照市雙禾家家紡輕鋼車車間會展場館體體育建筑筑機場劇院高層建筑塔塔桅結(jié)構(gòu)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐罐其他構(gòu)構(gòu)筑物大連北良國國儲糧庫凈凈跨60m嘉興電廠干干煤棚會展場館體體育建筑筑機場劇院高層建筑塔塔桅結(jié)構(gòu)構(gòu)廠房倉倉儲住宅橋梁儲罐罐其他構(gòu)構(gòu)筑物會展場館體體育建筑筑機場劇院高層建筑塔塔桅結(jié)構(gòu)構(gòu)廠房倉倉儲住住宅橋梁儲罐其他他構(gòu)筑物楊浦大橋盧浦大橋會展場館體體育建筑筑機場劇院高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物會展場館高層建筑塔桅結(jié)構(gòu)廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構(gòu)筑物第三節(jié)鋼鋼結(jié)構(gòu)的的發(fā)展1、發(fā)展低低合金高強強度鋼材和和型鋼品種種2、結(jié)構(gòu)和和構(gòu)件設(shè)計計計算方法法的深入研研究3、結(jié)構(gòu)形形式的革新新4、結(jié)構(gòu)優(yōu)優(yōu)化設(shè)計連接鋼材性能及及規(guī)格基本構(gòu)件第四節(jié)課課程主主要內(nèi)容、、特點和學(xué)學(xué)習(xí)方法結(jié)構(gòu)體系設(shè)設(shè)計形式計算構(gòu)造軸拉構(gòu)件受彎構(gòu)件壓彎構(gòu)件軸壓構(gòu)件拉彎構(gòu)件穩(wěn)定驗算承載力剛度鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基本本設(shè)計原則焊接螺栓連接第一節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)鋼材的破壞壞形式第二節(jié)鋼鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性性能的要求第三節(jié)影影響鋼材性能的的因素第四節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)鋼材的種類類及選用第二章鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)的材料1、塑性破壞：破壞前有明顯的變形，破壞歷時時間間長，可可以采取補救措措施。第一節(jié)鋼材的的破壞形式2、脆性破壞：破壞前沒有明顯的變形，破壞發(fā)生突突然，，沒有機會補救救?！嘈云茐牡脑蛞?注意：應(yīng)盡量發(fā)發(fā)揮材料的塑性性避免一切脆性破破壞的可能性（一）、強度1、單向均勻拉拉伸試驗試驗條件：標(biāo)準(zhǔn)試件在常溫（20℃℃）下緩慢加載載，一次完成第二節(jié)鋼材的的機械性能鋼材在單向均勻勻受拉時工作性性能表現(xiàn)為四個個階段：A彈性階段:應(yīng)力最高高點對應(yīng)比例極限彈性模量應(yīng)力B彈塑性階段:應(yīng)力介于和之間彈塑性模量是變數(shù)C塑性階段:應(yīng)力達到屈服強度D強化頸縮階段:應(yīng)力最高點對應(yīng)抗拉極限（二）鋼材的工工作性能可以看看作理想彈性塑塑性體1.計算簡便便2.與相差不大3.雖然＞，但對應(yīng)的應(yīng)變非常大（不滿足正常使用極限狀態(tài)）4.以作為設(shè)計強度的依據(jù)，具有較大的強度儲備，若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機會補救

屈強比：Q235鋼為0.57，Q345鋼為0.672、簡化計算,采用理想彈彈塑性模型1、作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的最大應(yīng)力3、作為鋼材實際破壞強度（三）注意二、塑性當(dāng)應(yīng)力超過屈服服點后，能產(chǎn)生生顯著的殘余變變形（塑性變形形）而不立即斷斷裂的性質(zhì)斷面收縮率：指試件拉斷后，，頸縮區(qū)的斷面面面積縮小值與與原斷面面積比比值的百分率衡量塑性性能的指標(biāo)：伸長率三、沖擊韌性沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸吸收能量的能力衡量沖擊韌性的的指標(biāo)：沖擊功韌性是鋼材強度度和塑性的綜合合指標(biāo)梅氏U型缺口試件:沖擊試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件型式：夏比V型缺口試件:我國采用夏比V型缺口試件沖擊韌性受溫度度的影響四、冷彎性能：：指鋼材在冷加工工（常溫下加工工）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力鑒定鋼材在彎曲曲狀態(tài)下的塑性性應(yīng)變能力和鋼鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)五、可焊性可焊性指采用一般焊接工工藝就可完成合合格的焊縫的性性能可焊性受化學(xué)成成分C的影響比較大碳當(dāng)量：衡量低合金鋼的的可焊性的計算<0.38焊接接性能一般=0.38~0.45焊接性性能較難>0.45焊接接性能難另：鋼材物理性性能指標(biāo)彈性模量質(zhì)量密度剪變模量線膨脹系數(shù)泊松比一、化學(xué)成分第三節(jié)影響鋼鋼材性能的主要要因素普通碳素鋼中Fe占99%，其他雜質(zhì)元素占1%普通低合金鋼中有＜5%的合金元素碳（C）：鋼材材強度的主要來來源，但是隨其其含量增加，強度增加，塑塑性降低，可焊焊性降低，抗腐腐蝕性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以以下時，可焊性性良好硫（S）是一種有害元素，降低鋼材的塑塑性、韌性、可可焊性、抗銹蝕蝕性等，在高溫溫時使鋼材變脆脆，即熱脆。因此，鋼材中中硫的含量不得得超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中中不超過0.045%。磷(P)既是有害元素也是能利用的合合金元素。磷是是碳素鋼中的雜雜質(zhì)，它在低溫溫下使鋼變脆，，這種現(xiàn)象稱為為冷脆。在高溫時磷也也能使鋼減少塑塑性。但磷能提提高鋼的強度和和抗銹蝕能力。。氧(O)、氮(N)也是有害雜質(zhì)，在金屬熔化的的狀態(tài)下可以從從空氣中進入。。氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇劇烈，氮能使鋼鋼冷脆，與磷相似。錳（Mn）是一種弱脫氧劑劑，適量的錳含含量可以有效地地提高鋼材的強強度，又能消除除硫、氧對鋼材材的熱脆影響，，而不顯著降低低鋼材的塑性和和韌性。錳在碳碳素結(jié)構(gòu)鋼中的的含量為0.3%-0.8%，在低合金鋼中中一般為1.0%-1.7%硅（Si）是一種強脫氧劑劑，適量的硅可可提高鋼材的強強度，而對塑性性、韌性、冷彎彎性能和可焊性性無明顯不良影影響，但硅含量量過大時，會降降低鋼材的塑性性、韌性、抗銹銹蝕性和可焊性性。釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)都能使鋼材晶粒細細化。我國的低合合金鋼都含有這三三種元素，作為錳錳以外的合金元素素，既可提高鋼材材強度，又保持良良好的塑性、韌性性。二、冶煉、澆鑄、軋制制常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋等。偏析——化學(xué)成分分布布的不均勻程度。。冶煉過程控制鋼材材的化學(xué)成分。平爐鋼頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼鋼法堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼鋼法澆鑄過程控制脫氧氧程度。①沸騰鋼用錳脫氧氧，脫氧不徹底，，成本低，以前土土木工程常用，但但現(xiàn)在提高要求了了，許多結(jié)構(gòu)限用用：疲勞、低溫下下非焊接結(jié)構(gòu)，焊焊接結(jié)構(gòu)；②鎮(zhèn)靜鋼用硅脫氧氧，脫氧徹底，成成本高，質(zhì)量好；；③半鎮(zhèn)靜鋼介于于前兩者之間；④特殊鎮(zhèn)靜鋼在錳錳硅脫氧后再用鋁鋁或鈦補充脫氧。。三、加荷速度1．材性試驗要求求緩慢加載2．要考慮動荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響加荷速度高，鋼材屈服點提高高，呈脆性。因此，四、鋼材硬化冷作硬化—當(dāng)加載超過材料料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則屈服點提高，塑性性和韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)應(yīng)變硬化”時效硬化——隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使使材料硬化的現(xiàn)象象。五、溫度的影響1.正溫范圍100℃以內(nèi)對鋼材性能無影響；100℃以上隨溫度升高，總的的趨勢是強度、彈性模量降降低，塑性增大；250℃左右抗拉強度略有提高高，塑性和韌性降降低，脆性增加——藍脆現(xiàn)象。該溫度區(qū)段稱為為“藍脆區(qū)”；250～350℃℃在應(yīng)力不變的情況況下，鋼材以很緩緩慢的速度繼續(xù)變形——徐變現(xiàn)象。600℃左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完完全喪失。2.負(fù)溫范圍當(dāng)溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而而增加。T1～T2之間溫度轉(zhuǎn)變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降降。而且不同的鋼鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)區(qū)溫度不同，必須須通過試驗確定。。使用溫度必須高于T1，但不一定高于T2六、復(fù)雜應(yīng)力作作用下鋼材的屈服服條件假定：1.材料料由彈性轉(zhuǎn)入塑性性的強度指標(biāo)用變變形時單位體積中積聚的能量來表表達；2.當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力力狀態(tài)下變形能等等于單軸受力時的的變形能時，鋼材即由彈性性轉(zhuǎn)入塑性。彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)梁的應(yīng)力狀態(tài)三向主應(yīng)力表示為為：三個主應(yīng)力同號且且差值很小時，很很難進入塑性，呈呈現(xiàn)脆性破壞純剪應(yīng)力狀態(tài)所以：《規(guī)范》中中鋼材的抗剪強度度設(shè)計值取取七、應(yīng)力集中的影影響構(gòu)造缺陷：構(gòu)件表面不平整整，有刻槽、缺口口，厚度突變等應(yīng)力集中：由于構(gòu)造缺陷，，應(yīng)力不均勻，力力線變曲折，缺陷處有有高峰應(yīng)力。應(yīng)力集中的危害：：塑性降低，脆性增加構(gòu)造設(shè)計時應(yīng)避免截面突變和尖尖銳角的情況九、重復(fù)荷載的影影響鋼材在反復(fù)荷載作作用下，結(jié)構(gòu)的抗抗力及性能會發(fā)生生重要變化疲勞（fatigue）：鋼材在在連續(xù)交變荷載作作用下，會逐漸累累積損傷、產(chǎn)生裂裂紋及裂紋逐漸擴擴展，以至斷裂的的現(xiàn)象——強度低于極限強度度fu甚至低于屈服強度度fy，脆性斷裂1、較高的強度2、足夠的變形能能力，塑性、韌性性好具有3、良好的加工性性能（包括冷加工工、熱加工和可焊焊性）一、鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求：第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材材的種類和鋼材規(guī)規(guī)格二、結(jié)構(gòu)用鋼的種種類1.化學(xué)成分普通碳素鋼Q235普通低合金鋼Q345、Q390、Q420平爐成成本高，質(zhì)量好（（6小時100t左右）氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐成成本低，質(zhì)質(zhì)量也可（15分分鐘150t）2.爐種3.脫氧程度沸騰鋼（F）脫脫氧較差鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫脫氧充分半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫脫氧氧程度介于沸騰鋼鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）4.質(zhì)量等級A級：保證抗拉強度、屈服點和伸長率及硫、磷含量B、C、D級：保保證抗拉強度、屈屈服點、伸長率、、冷彎和沖擊韌性（分別為20℃、0℃、-20℃）及碳、、硅、錳、硫、磷含量E級：除滿足D級的要求外，還還要求-40℃時時的沖擊韌性5.鋼材編號碳素鋼：Q×××質(zhì)量量等級（A～D））脫氧程度（F，，b）低合金鋼：Q××××質(zhì)量等級（（A～E）如Q235-A··F、Q345-C6.鋼材的選擇擇（1）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件件的重要性；（2）荷載的種類類（靜荷載或動荷荷載）；（3）連接方法（（焊接或非焊接））；（4）工作條件（（溫度，腐蝕等））《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及及重要的非焊接承承重結(jié)構(gòu)采用的鋼鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。需要要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證。對需需要驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。三、鋼材的規(guī)格1.熱軋鋼板（1）工字鋼普通工字鋼ⅠⅠ20a（2）槽鋼[32b（3）H型鋼HW300×300×10×15T型鋼TW150×300×10×15（4）角鋼L125×10L125×80××10（5）鋼管φφ400×62.熱軋型鋼（附錄型鋼表））單位cm3.冷彎薄壁型型鋼壁厚1.5～5mm結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)由各種作用用所產(chǎn)生的效應(yīng)（內(nèi)力和變形）不大于結(jié)構(gòu)（包括連接））由材料性能和幾幾何因素等所確定定的抗力或規(guī)定限值。。問題及矛盾：荷載大小、材料料強度、截面尺寸寸、計算模式、施施工質(zhì)量等因素均均為隨機變量（或或隨機過程）不確確定第三章鋼結(jié)構(gòu)的的設(shè)計原理一、概述第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的的設(shè)計方法1、容許應(yīng)力法（建國初～1957年）把鋼材可以使用的的最大強度，除以以一個籠統(tǒng)的安全全系數(shù)作為結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計計算時構(gòu)件容容許達到的最大應(yīng)應(yīng)力，即允許應(yīng)力力法2、半概率法（1957年～1988年）3、一次二階矩極極限狀態(tài)設(shè)計法（1988年～發(fā)發(fā)展中）1、極限狀態(tài)：實質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠靠與不可靠的界限限；對結(jié)構(gòu)的各種種極限狀態(tài)，均應(yīng)應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)志志或限值。2、兩類極限狀態(tài)態(tài)：（1）承載能力極極限狀態(tài)包括：構(gòu)件和連接接的強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系和結(jié)構(gòu)傾覆（2）正常使用極極限狀態(tài)包括：影響結(jié)構(gòu)、、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件正常使用或耐耐久性能的局部損損壞（包括組合結(jié)結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫縫）二、概率極限設(shè)計計方法3、功能函數(shù)作用效應(yīng)S：取決于各種荷載（（恒載、活載、風(fēng)風(fēng)、地震作用、溫溫度變化等）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載載力或抗力R：取決于材料、構(gòu)件件的幾何特性等由于R和S都是隨機變量，函函數(shù)Z也是一個隨隨機變量。功能函函數(shù)Z存在三種可可能狀態(tài)：4、結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)內(nèi)，在規(guī)定的條件件下，完成預(yù)定功功能的概率若以ps表示結(jié)構(gòu)的可靠度度則：若以pf表示結(jié)構(gòu)的失效概概率則：β——可靠指標(biāo)或安安全指標(biāo)β與pf存在一一對應(yīng)關(guān)系系，β與pf變化相反β與pf對應(yīng)表格不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載載能力極限狀態(tài)的的可靠指標(biāo)β三、設(shè)計表達式《建筑結(jié)構(gòu)可靠度度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》》規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的的極限狀態(tài)設(shè)計表表達式，采用有關(guān)關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值及各種分項系數(shù)等表達。1、簡單荷載分項項系數(shù)設(shè)計式：RK——抗力標(biāo)準(zhǔn)值SGK——按標(biāo)準(zhǔn)值計算算的永久荷載（G）效應(yīng)值SQK——按標(biāo)準(zhǔn)值計算算的可變荷載（Q）效應(yīng)值γ——分項系數(shù)式中：分項系數(shù)γ以可靠指標(biāo)β為基礎(chǔ)用概率設(shè)設(shè)計法求出可變荷載效應(yīng)控制制的組合：（3.7）可變荷載效應(yīng)控制制的組合：（3.8）2、承載能力極限限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合3、正常使用極限限狀態(tài)荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合（3.10）vGK——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值值vQ1K——起控制作用的的第一個可變荷載載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變變形值vQiK——其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值值產(chǎn)生的變形值[v]——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值值式中：★注意：設(shè)計方法：以概率理論為基礎(chǔ)礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法法計算疲勞仍采用容許應(yīng)力幅法計算強度、穩(wěn)定、連接接用荷載設(shè)計值計算疲勞、變形用荷載標(biāo)準(zhǔn)值對于直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)：在計算強度和穩(wěn)定時，動載設(shè)計值應(yīng)乘動力系數(shù)在計算疲勞和變形時，動載標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)乘動力系數(shù)☆破壞前沒有明顯的的宏觀塑性變形，，屬于脆性斷裂☆斷口分為三個區(qū)域域：裂紋源、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)☆對缺陷（包括缺口、裂紋紋及組織缺陷等））十分敏感第三節(jié)鋼材的疲疲勞有拉應(yīng)力裂縫張開無拉應(yīng)力裂縫閉合產(chǎn)生疲勞的原因：：（1）連續(xù)反復(fù)荷荷載（2）材料局部缺缺陷（工藝微裂紋、焊焊縫夾渣）一、影響疲勞強度度的主要因素：1、應(yīng)力比ρ按絕對值計算的最最小應(yīng)力和最大應(yīng)應(yīng)力之比（拉應(yīng)力力取正值，壓應(yīng)力力取負(fù)值）ρ＝-1完全對稱循環(huán)ρ＝0脈沖循環(huán)ρ＝-1～0不完全對稱稱循環(huán)2、應(yīng)力幅幅常幅疲勞——常幅交交變荷載引引起——常常幅循環(huán)應(yīng)應(yīng)力（簡稱稱循環(huán)應(yīng)力