鋼結(jié)構(gòu)的性能中英版

PropertiesofStructureSteel

鋼結(jié)構(gòu)的性能Stellisoneofthemostwidelyusedstructuralmaterials.Theadvantagesofstructuralsteelarediscussedinthefollowingparagraphs.鋼是一種最廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料.下面我們就討論下鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn).HighStrengthThehighstrengthofsteelperunitofweightmeansthatstructureweightswillbesmall.Thisfactisofgreatimportanceforlong-spanbridges,tallbuildings,andstructureshavingpoorfoundationconditions.高強(qiáng)度鋼材每單位重量的高強(qiáng)度意味著結(jié)構(gòu)的重量將是小的。這個事實(shí)對大跨的橋梁、高層建筑以及有著薄弱地基條件的結(jié)構(gòu)具有重要意義。UniformityThepropertiesofsteeldonotchangeappreciablywithtimeasdothoseofreinforcedconcretestructure.一致性鋼材的性能隨時間的變化不明顯，正如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能也隨時間變化不明顯。ElasticitySteelbehavesclosertodesignassumptionsthanmostmaterialsbecauseitfollowsHooke'slawuptofairlyhighstresses.Themomentsofinertiaofasteelstructurecanbedefinitelycalculatedwhilethevalueobtainedforareinforcedconcretestructureareratherindefinite.彈性比起大多數(shù)材料，鋼材的運(yùn)行更接近于設(shè)計的假定，因?yàn)樗钡较喈?dāng)高的應(yīng)力仍然遵循虎克定理。一個鋼結(jié)構(gòu)的慣性矩可以確切地被計算，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到的該值是非常得不確切。PermanenceSteelframesthatareproperlymaintainedwilllastindefinitely.Researchonsomeofthenewersteelsindicatesthatundercertainconditionsnopaintingmaintenancewhatsoeverwillberequired.持久性適當(dāng)維護(hù)的鋼框架將會長期地維持下去。對一些較新鋼材的研究顯示在某些條件下，一點(diǎn)也不需要涂漆的維護(hù)。DuctilityThepropertyofamaterialbywhichitcanwithstandextensivedeformationwithoutfailureunderhightensilestressesissaidtobeitsductility.Whenamildorlow-carbonstructuralsteelmemberisbeingtestedintension,aconsiderablereductionincrosssectionandalargeamountelongationwilloccuratthepointoffailurebeforetheactualfractureoccurs.Amaterialthatdoesnothavethispropertyisgenerallyunacceptableandisprobablyhardandbrittleandmightbreakifsubjectedtoasuddenshock.延性材料在高的拉應(yīng)力下能承受大的變形而不破壞的性能被稱為是延性。當(dāng)一根低碳結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件正在進(jìn)行受拉測試時，在實(shí)際的斷裂發(fā)生之前，在破壞點(diǎn)處將會發(fā)生橫斷面的大大縮小以及產(chǎn)生很大的伸長。不具有這種性能的材料通常是不被接受的，并且該材料可能是堅硬和脆性的，如果承受一個突然的沖擊，可能會斷裂。Instructuralmembersundernormalloads,highstressconcentrationsdevelopatvariouspoints.Theductilenatureoftheusualstructuralsteelsenablesthemtoyieldlocallyatthosepoints,thuspreventingprematurefailures.Afurtheradvantageofductilestructuresisthatwhenoverloadedtheirlargedeflectionsgivevisibleevidenceofimpendingfailure.在正常荷載下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，在不同的點(diǎn)上會形成高應(yīng)力集中。普通結(jié)構(gòu)鋼延性的特點(diǎn)使它們在這些點(diǎn)上局部地屈服，這樣阻止了過早的破壞。延性結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)勢是當(dāng)超載時，它們的大變形顯示出明顯的即將破壞的跡象FractureToughnessStructuralsteelsaretoughthatis,theyhavebothstrengthandductility.Asteelmemberloadeduntilithaslargedeformationswillstillbeabletowithstandlargeforces.Thisisaveryimportantcharacteristicbecauseitmeansthatsteelmemberscanbesubjectedtolargedeformationsduringfabricationanderectionwithoutfracture一thusallowingthemtobebent,hammered,sheared,andhaveholespunchedinthemwithoutvisibledamage.Theabilityofamaterialtoabsorbenergyinlargeamountsiscalledtoughness.結(jié)構(gòu)鋼是堅韌的；也就是說，它們既有強(qiáng)度又有延性。一根鋼構(gòu)件加荷至大變形時將仍然能夠承受大的力。這是非常重要的特性，因?yàn)檫@意味著鋼構(gòu)件在制作和安裝期間能承受大的變形而不斷裂—這就允許它們被彎曲、錘擊、剪切以及在上面沖孔而沒有明顯的損害。材料吸收大量能量的能力稱為韌性。MiscellaneousSeveralotherimportantadvantagesofstructuralsteelare,(a)abilitytobefastenedtogetherbyseveralsimpleconnectiondevicesincludingweldsandbolts，(b)adaptationtoprefabrication，(c)speedoferection，(d)abilitytoberolledintoawidevarietyofsizesandshapes，(e)fatiguestrength，(f)possiblereuseafterastructureisdisassembled,and(g)scrapvalue,eventhoughnotreusableinitsexistingform.其它 結(jié)構(gòu)鋼其它的一些重要優(yōu)點(diǎn)是：(a)能夠通過一些簡單的連接方法包括焊縫和螺栓將其連接起來；(b)適合預(yù)制；(c)安裝速度；(d)能夠軋制成各種各樣的尺寸和形狀；(e)疲勞強(qiáng)度;(f)在結(jié)構(gòu)被分解后可能的再利用；以及(g)殘余價值，即使不能以其已有的形式被再利用。鋼材是最終可循環(huán)的材料。Ingeneral,stellhasthefollowingdisadvantages.1通常，鋼材具有下列缺點(diǎn)。MaintenanceCostsMoststeelsaresusceptibletocorrosionwhenfreelyexposedtoairandwaterandmustthereforebeperiodicallypainted.Theuseofweatheringsteels,insuitabledesignapplications,tendstoeliminatethiscost.大多數(shù)鋼材在直接暴露于空氣和水中時容易銹蝕，因此必須被定時地涂漆。在合適的設(shè)計應(yīng)用中，采用風(fēng)化的鋼材往往能避免該費(fèi)用。FireproofingCostsAlthoughstructuralmembersareincombustible,theirstrengthistremendouslyreducedattemperaturescommonlyreachedinfireswhentheothermaterialsinabuildingburn.Furthermore,steelisanexcellentheatconductorsuchatnonfireproofedsteelmembersmaytransmitenoughheatfromaburningsectionorcompartmentofabuildingtoignitematerialswithwhichtheyareincontactinadjoiningsectionsofthebuilding.Asaresultofthesefactsthesteelframeofabuildingmayhavetobeprotectedbymaterialswithcertaininsulatingcharacteristics,orthebuildingmayhavetoincludeasprinklersystemifitistomeetthebuildingcoderequirementsofthelocalityinquestion.防火費(fèi)用盡管結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有不燃性，但它們的強(qiáng)度通常在火中達(dá)到的溫度時會驚人地減少，而建筑中的其它材料則會燃燒。很多火災(zāi)發(fā)生在空的建筑物中，這里著火的唯一燃料是建筑物自己。而且，鋼材是一個極好的導(dǎo)熱體，不耐火的鋼構(gòu)件可以將一個房屋燃燒的區(qū)域或隔間的足夠的熱量傳送而使鄰近建筑區(qū)域內(nèi)與之接觸的材料燃燒。根據(jù)這些現(xiàn)象，建筑物的鋼框架可能不得不采用具有一定絕熱性能的材料加以保護(hù)，或者該建筑物不得不包含一個自動噴水滅火系統(tǒng)，假如它符合正被討論地區(qū)的建筑規(guī)范的要求。SusceptibilitytoBucklingThelongerandmoreslenderthecompressionmembers,thegreaterthedangerofbuckling.Aspreviouslyindicated,steelhasahighstrengthbutwhenusedforsteelcolumnsissometimesnotveryeconomicalsometimesbecauseconsiderablematerialhastobeusedmerelytostiffenthecolumnsagainstbuckling.容易屈曲受壓構(gòu)件越是長和細(xì)的，其屈曲的危險越大。正如前面所顯示的，鋼材單位重量的強(qiáng)度高，但是用于鋼柱時有時并不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)椴坏貌徊捎孟喈?dāng)多的材料僅僅是為了加強(qiáng)柱子以防屈曲。FatigueAnotherundesirablepropertyofsteelisthatitsstrengthmaybereducedifitissubjectedtoalargenumberofstressreversalsoreventoalargenumberofvariationsoftensilestress.(Wehavefatigueproblemsonlywhentensionisinvolved.)Thepresentpracticeistoreducetheestimatedstrengthsofsuchmembersifitisanticipatedthattheywillhavemorethanaprescribednumberofcyclesofstressvariation.疲勞鋼材另一個不受歡迎的特性是如果它承受大量的反向應(yīng)力或者甚至承受大量的拉應(yīng)力的變化，則它的強(qiáng)度可能會降低。(只有包括拉力時我們才有疲勞問題。)目前的習(xí)慣是如果預(yù)測到會有超過規(guī)定數(shù)量的應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)，則應(yīng)降低該構(gòu)件的估計強(qiáng)度。BrittleFractureUndercertainconditionssteelmayloseitsductility,andbrittlefracturemayoccuratplacesofstressconcentration.Fatigue-typeloadingsandverylowtemperaturesaggravatethesituation.脆性斷裂某些條件下，鋼材可能失去它的延性，并且可能在應(yīng)力集中處發(fā)生脆性斷裂。疲勞型荷載和非常低的溫度加重了這種情形。Structuralanalysisistheprocessofdeterminingtheforcesanddeformationsinstructuresduetospecifiedloadssothatthestructurecanbedesignedrationally,andsothatthestateofsafetyofexistingstructurescanbechecked.結(jié)構(gòu)分析是確定在給定荷載下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的力和變形，以便使結(jié)構(gòu)設(shè)計得合理或檢查現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全狀況Inthedesignofstructures,itisnecessarytostartwithaconceptleadingtoaconfigurationwhichcanthenbeanalyzed.Thisisdonesomemberscanbesizedandtheneededreinforcingdetermined,inorderto:carrythedesignloadswithoutdistressorexcessivedeformations(serviceabilityorworkingcondition);andtopreventcollapsebeforeaspecifiedoverloadhasbeenplacedonthestructure(safetyorultimatecondition).在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須先從結(jié)構(gòu)的概念開始擬定一種結(jié)構(gòu)形式，然后再進(jìn)行分析。這樣做能確定構(gòu)件的尺寸以及所需要的鋼筋，以便a)承受設(shè)計荷載而不出現(xiàn)損壞或過大變形(在正常使用或工作狀態(tài))；b)防止結(jié)構(gòu)在荷載未達(dá)到規(guī)定的超載以前倒塌(安全性或極限狀況)。Sincenormallyelasticconditionswillprevailunderworkingloads,astructuraltheorybasedontheassumptionsofelasticbehaviorisappropriatefordeterminingserviceabilityconditions.Collapseastructurewillusuallyoccuronlylongaftertheelasticrangeofthematerialshasbeenexceededatcriticalpoints,sothatanultimatestrengththeorybasedontheinelasticbehaviorofthematerialsisnecessaryforarationaldeterminationofthesafetyofastructureagainstcollapse.Nevertheless,anelastictheorycanbeusedtodetermineasafeapproximationtothestrengthofductilestructures(thelowerboundapproachofplasticity),andthisapproachiscustomarilyfollowedinreinforcedconcretepractice.由于通常在使用荷載作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，因此以彈性狀態(tài)假定為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)理論適用于正常使用狀態(tài)。通常只有當(dāng)危險截面的材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過彈性范圍之后，才可能發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌，因而建立在材料非彈性狀態(tài)基礎(chǔ)上的極限強(qiáng)度理論是合理確定結(jié)構(gòu)安全性，防止倒塌所必需的。不過彈性理論可用來確定延性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全近似值(塑性下限逼近法)，在鋼筋混凝土設(shè)計中習(xí)慣采用這種方法。Forthismasononlytheelastictheoryofstructuresispursuedinthischapter.基于這種原因，在本章中僅采用結(jié)構(gòu)的彈性理論。Lookedatcritically,allstructuresareassembliesofthree-dimensionalelements,theexactanalysisofwhichisaforbiddingtaskevenunderidealconditionsandimpossibletocontemplateunderconditionsofprofessionalpractice.Forthisreason,animportantpartoftheanalyst'sworkisthesimplificationoftheactualstructureandloadingconditionstoamodelwhichissusceptibletorationalanalysis.嚴(yán)格地講，所有結(jié)構(gòu)都是三維構(gòu)件的組合體，對其進(jìn)行精確分析，即使在理想狀態(tài)下也是棘手的工作，而在實(shí)際工程條件下，更是難以想象?；谶@種原因，分析人員工作的一個重要部分是將實(shí)際結(jié)構(gòu)和荷載狀態(tài)簡化成一個易于合理分析的模型。Thus,astructuralframingsystemisdecomposedintoaslabandfloorbeamswhichinturnframeintogirderscarriedbycolumnswhichtransmittheloadstothefoundations.Sincetraditionalstructuralanalysishasbeenunabletocopewiththeactionoftheslab,thishasoftenbeenidealizedintoasystemofstripsactingasbeams.Also,long-handmethodshavebeenunabletocopewiththree-dimensionalframingsystems,sothattheentirestructurehasbeenmodeledbyasystemofplanarsubassemblies,tobeanalyzedoneatatime.Themodernmatrix-computermethodshaverevolutionizedstructuralanalysisbymakingitpossibletoanalyzeentiresystems,thusleadingtomorereliablepredictionsaboutthebehaviorofstructuresunderloads.這樣，框架結(jié)構(gòu)體系可分解成平板和樓板梁，樓板梁又通過框架傳遞給立柱支承的大梁，立柱再將荷載傳遞到基礎(chǔ)上。由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法不能分析平板的作用，所以經(jīng)常理想化成類似于梁的條形結(jié)構(gòu)。同樣，普通的方法不能分析三維框架體系，因此將整個結(jié)構(gòu)簡化為平面框架體系模型，逐一加以分析。現(xiàn)代的矩陣—計算機(jī)法可以分析整個體系從而革新了結(jié)構(gòu)分析，這樣可對荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能做出更可靠的預(yù)測Actualloadingconditionsarealsobothdifficulttodetermineandto expressrealistically,andmustbesimplifiedforpurposesofanalysis.Thus,trafficloadsonabridgestructure,whichareessentiallybothofdynamicandrandomnature,areusuallyidealizedintostaticallymovingstandardtrucks,ordistributedloads,intendedtosimulatethemostsevereloadingconditionsoccurringinpractice.實(shí)際荷載狀態(tài)也是很難確定和很難客觀表達(dá)的，為廠進(jìn)行分析，必須進(jìn)行簡化。例如，橋梁結(jié)構(gòu)上的交通荷載主要是動荷載且是隨機(jī)的，通常理想化成靜態(tài)行駛的標(biāo)準(zhǔn)卡車或分布荷載，以用來模擬實(shí)際產(chǎn)生的最不利的荷載狀態(tài)。Similarly,continuousbeamsaresometimesreducedtosimplebeams,rigidjointstopin-joints,filler-wallsareneglected,shearwallsareconsideredasbeams;indecidinghowtomodelastructuresoastomakeitreasonablyrealisticbutatthesametimereasonablysimple,theanalystmustrememberthateachsuchidealizationwillmakethesolutionmoresuspect;.Themorerealistictheanalysis,thegreaterwillbetheconfidencewhichitinspires,andthesmallermaybethesafetyfactor(orfactorofignorance).類似的還有，連續(xù)梁有時簡化為簡支梁，剛性節(jié)點(diǎn)簡化為鉸接點(diǎn)，忽略填充墻，把剪力墻視為梁；在決定如何建立一個結(jié)構(gòu)模型使之既比較客觀又適度簡單時，分析人員必須記住每一個理想化假設(shè)都將使求得的解更加不可靠。分析得越客觀，產(chǎn)生的信心就越大，而所取的安全系數(shù)(或忽略的因素)可能就越小themostimportantuseofstructuralanalysisisasatoolinstructuraldesign.Assuch,itwillusuallybeapartofatrial-and-errorprocedure,inwhichanassumedconfigurationwithassumeddeadloadsisanalyzed,andthemembersdesignedinaccordancewiththeresultsoftheanalysis.Thisphaseiscalledthepreliminarydesign;sincethisdesignisstillsubjecttochange,usuallyacrude,fastanalysismethodisadequate.Atthisstage,thecostofstructureisestimated,loadsandmemberpropertiesarerevised,andthedesignischeckedforpossibleimprovements.Thechangesarenowincorporatedinthestructure,amorerefinedanalysisisperformed,andthememberdesignisrevised.結(jié)構(gòu)分析最重要的用途是作為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的工具。按此定義，它通常是反復(fù)試算過程中的一個環(huán)節(jié)，在這種方法中，首先，在假定的橫載下對假定的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計各構(gòu)件。這個階段稱為初步設(shè)計，由于此時的設(shè)計常常會變化，通常采用粗略的快速方法就足夠了。在此階段，估計結(jié)構(gòu)的成本，修正荷載及構(gòu)件特征，并對設(shè)計進(jìn)行檢查以便改進(jìn)。至此，將所有的更改納入到結(jié)構(gòu)中，再進(jìn)行更精細(xì)的分析，并修改構(gòu)件設(shè)計。Anefficientanalystmustthusbeincommandoftherigorousmethodsofanalysis,mustbeabletoreducethesetoshortcutmethodsbyappropriateassumptions,andmustbeawareofavailabledesignandanalysisaids,aswallassimplificationspermittedbyapplicablebuildingcodes.Anup-to-dateanalystmustlikewisebeversedinthebasesofmatrixstructuralanalysisanditsuseindigitalcomputersaswellasintheuseofavailableanalysisprogramsorsoftware.因而，有能力的分析人員必須掌握嚴(yán)密的分析方法，必須能夠通過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件進(jìn)行簡化分析，必須了解可利用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和分析手段以及建筑規(guī)范中允許的簡化方法。同時，現(xiàn)代的分析人員必須精通結(jié)構(gòu)矩陣分析的基本原理及其在數(shù)字計算機(jī)中的應(yīng)用并會應(yīng)用現(xiàn)有的分析程序及有關(guān)軟件。2、應(yīng)力和應(yīng)變在任何工程結(jié)構(gòu)中獨(dú)立的部件或構(gòu)件將承受來自于部件的使用狀況或工作的外部環(huán)境的外力作用。如果組件就處于平衡狀態(tài),由此而來的各種外力將會為零,但盡管如此,它們共同作用部件的載荷易于使部件變形同時在材料里面產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力。有很多不同負(fù)載可以應(yīng)用于構(gòu)件的方式。負(fù)荷根據(jù)相應(yīng)時間的不同可分為：(a)靜態(tài)負(fù)荷是一種在相對較短的時間內(nèi)逐步達(dá)到平衡的應(yīng)用載荷。持續(xù)負(fù)載是一種在很長一段時間為一個常數(shù)的載荷，例如結(jié)構(gòu)的重量。這種類型的載荷以相同的方式作為一個靜態(tài)負(fù)荷;然而,對一些材料與溫度和壓力的條件下,短時間的載荷和長時間的載荷抵抗失效的能力可能是不同的。沖擊載荷是一種快速載荷(一種能量載荷)。振動通常導(dǎo)致一個沖擊載荷，一般平衡是不能建立的直到通過自然的阻尼力的作用使振動停止的時候。(d)重復(fù)載荷是一種被應(yīng)用和去除千萬次的載荷。(e)疲勞載荷或交變載荷是一種大小和設(shè)計隨時間不斷變化的載荷。上面已經(jīng)提到，作用于物體的外力與在材料里面產(chǎn)生的相應(yīng)內(nèi)力平衡。因此，如果一個桿受到一個均勻的拉伸和壓縮，也就是說，一個力，均勻分布于一截面，那么產(chǎn)生的內(nèi)力也均勻分布并且可以說桿是受到一個均勻的正常應(yīng)力，應(yīng)力被定義為應(yīng)力==負(fù)載P/壓力A，因此根據(jù)載荷的性質(zhì)應(yīng)力是可以壓縮或拉伸的，并被度量為牛頓每平方米或它的倍數(shù)。如果一個桿受到軸向載荷，即是應(yīng)力，那么桿的長度會改變。如果桿的初始長度L和改變量AL已知，產(chǎn)生的應(yīng)力定義如下:應(yīng)力==改變長AL/初始長L因此應(yīng)力是一個測量材料變形和無量綱的物理量，即它沒有單位;它只是兩個相同單位的物理量的比值。一般來說，在實(shí)踐中，在荷載作用下材料的延伸是非常小的，測量的應(yīng)力以*10-6的形式是方便的，即微應(yīng)變，使用的符號也相應(yīng)成為ue。從某種意義上說，拉伸應(yīng)力與應(yīng)變被認(rèn)為是正的。壓縮應(yīng)力與應(yīng)變被認(rèn)為是負(fù)的。因此負(fù)應(yīng)力使長度減小。當(dāng)負(fù)載移除時，如果材料回復(fù)到初始的，無負(fù)載時的尺寸時，我們就說它是具有彈性的。一特定形式的適用于大范圍的工程材料至少工程材料受載荷的大部分的彈性，產(chǎn)生正比于負(fù)載的變形。由于載荷正比于載荷所產(chǎn)生的壓力并且變形正比于應(yīng)變，這也說明，當(dāng)材料是彈性的時候，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。因此胡克定律陳述，應(yīng)力正比于應(yīng)變。這定律服從于大部分鐵合金在特定的范圍內(nèi)，甚至以其合理的準(zhǔn)確性可以假定適用于其他工程材料比如混凝土，木材，非鐵合金。當(dāng)一個材料是彈性的時候，當(dāng)載荷消除之后，任何負(fù)載所產(chǎn)生的變形可以完全恢復(fù)，沒有永久的變形。材料的彈性范圍即是適用于胡克定律的范圍，已經(jīng)表明，應(yīng)力/應(yīng)變==常數(shù)常數(shù)被賦予符號E,被稱為彈性模量或楊氏模量。因此E=應(yīng)力/應(yīng)變