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Lesson 1Definition （定义） 受压构件是仅受轴向压力作用的构件，即：荷载是沿纵轴加在其截面形心上的，其应力可表示为，式中，假定fa在整个截面上均匀分布。 然而，现实中从来都不可能达到这种理想状态，因为荷载的一些偏心是不可避免的。 这将导致弯曲，但通常认为它是次要的，如果理论工况是足够近似的，就可将其忽略。但这并非总是可行的，如有计算出的弯矩存在时，这种情形将在梁柱理论中加以考虑。 在建筑物和桥梁中最常见的受压构件就是柱，其主要功能就是支承竖向荷载。在许多情况下，它们也需要抵抗弯曲，在此情况下，将它们称为梁柱。受压构件也存在于桁架和支撑系统中。Column Theory （柱理论） 考虑如图1.1.a所示的长柱，如果慢慢增加轴向荷载P，它最终将达到一个足够大的值使该柱变得不稳定(失稳)，如图中虚线所示。 这时认为构件已经屈曲，相应的荷载称为临界屈曲荷载。 如果该构件更粗短些，如图1.1b所示，则需要更大的荷载才能使其屈曲。 对特别粗短的构件，破坏可能是由受压屈服引起而非由屈曲引起。 对这些短柱以及更细长的柱，在其屈曲前，在其长度方向上任意点处横截面上的压应力P/A都是均匀的。我们将会看到，屈曲发生时的荷载是长细程度的函数，非常细长的构件的屈曲荷载将会很低。 如果构件如此细长（随后将会给出细长程度的精确定义）以致即将屈曲时的应力低于比例极限即，构件仍是弹性的，临界屈曲荷载如下式给出： (1.1)式中E为材料弹性模量，I为关于截面副主轴的惯性矩，L 为支座间的距离。 要使方程1.1成立，构件必须是弹性的，且其两端必须能自由转动，但不能侧向移动。此著名公式是瑞士数学家欧拉于1975年提出的。 因此有时将临界荷载称为欧拉荷载或欧拉临界荷载。欧拉公式的有效性（正确性）已由许多试验充分证实。方程1.1可方便地写为 (1.1a) 式中A 为截面面积，r为关于屈曲轴的回转半径，L/r为长细比，它是对受压构件细长程度的一种度量，该值越大，构件越细长。 如果将屈曲荷载除以截面面积，便可得到以下屈曲应力：(1.2)这便是绕相应于r的轴发生屈曲时的压应力。. 由于一旦荷载达到式1.1之值，柱将在与最大长细比对应的主轴方向变得不稳定（失稳），通常该轴是惯性矩较小的轴。 因此，应在方程1.1和1.2中采用截面的最小惯性矩和最小回转半径。 早期的研究者很快发现对短柱或不太细长的受压构件，欧拉公式并不能给出可靠的结果，这是因为这种构件的长细比较小，从而产生较高的屈曲应力。 如果屈曲发生时的应力大于材料的比例极限，应力应变关系就不再是线性的，也不能再用弹性模量E。这一困难最初由Friedrich Engesser 所克服，他在1889年将可变的切线模量用于方程1.1. 对于如图1.2所示的应力应变曲线(的材料)，当应力超过比例极限时，E并非常数，当应力处于Fpl和Fy之间时，将切线模量定义为应力应变曲线的切线的斜率， 如果屈曲时的压应力在此范围时，可以证明(1.3)除公式中将E代之以Et外，上式与欧拉公式完全相同。Effective Length（计算长度） 欧拉和切线模量方程都是基于如下假定：1. 柱完全竖直，无初始弯曲。2. 荷载是轴向加载，无偏心。3. 柱在两端铰结。 前两(假定)条件意味着在屈曲前无弯矩存在。A 如前所述，可能偶然会存在一些弯矩，但在大多数情况下都可被忽略。 然而，铰结要求是一个严重的局限，必须对其它支撑条件作出规定。 铰结条件要求约束构件两端不发生侧移，但并不约束转动。 由于实际上不可能构造无摩擦铰连接，即使这种支撑条件最多也只能是非常近似。显然，所有柱必须在轴向自由变形。 为了考虑其它边界条件，将临界荷载写为如下形式 or (1.4)式中KL为计算长度，K称为计算长度系数，各种情况下的K值可借助于AISC（美国钢结构学会规范的条文说明加以确定。Lesson 2 Introduction to Structural design 建筑结构设计，不论是钢结构还是钢筋混凝土结构，都需要确定其支承结构的整体比例和尺寸以及各构件的截面尺寸。在大多数情况下，功能设计，包括楼层层数和楼层平面的确定，将要由建筑师来完成，因而结构工程师必须在此约束条件下工作。 在理想状态下，工程师和建筑师将在整个设计过程中协同工作从而高效地完成设计工作。 然而，事实上，设计过程可概括如下：建筑师确定建筑物的外观，工程师必须确保其不会倒塌。 尽管这样说过分简单，但它明确了工程师的第一个主要任务，即，确保安全。其它要考虑的因素包括适用性（就外观和挠曲而言其工作性能如何）。经济的结构要求对材料和人工的有效使用，尽管这通常都能通过要求最少材料来取得，但通过采用稍多的材料，但能使建筑物更简单和更容易建造常常会实现节约的目的。Loads作用在结构物上的各种力称为荷载，它们属于一两种广义类型，恒载和活载。 恒载是那些永久荷载，包括结构自身的重量，有时也称为自重。其它建筑物恒载包括非结构构件的重量，如楼面面层、带有灯具的吊顶以及隔墙。 至此所提的各种荷载都是由重力所引起，因而称为重力荷载。活载也可以是重力荷载，它们是那些不如恒载那样永久的荷载。这类荷载可能也可能不总是作用在结构物上，且作用位置也可能不是固定的。活荷载包括家具、设置和建筑物的居住者。 通常，活荷载的大小不如恒载那样确定，常常必须估计。在许多情况下，必须研究活荷载作用在一给定的结构构件的各个位置以便不会漏掉每个可能的破坏情形。Building codes建筑物必须根据各种建筑规范的条款设计和建造，规范是一种法律文件，包含各种要求，如建筑安全、防火安全、上下水、通风和体残人的可达性等。建筑规范具有法律效力，由政府部位发布，如城市、县、对于大的城区，如联合政府。 建筑规范并不给出设计规定，但却规定设计必须满足的各种要求和约束条款。对结构工程师特别重要的是建筑物的最小活荷载规定。 尽管鼓励工程师研究实际荷载工况以确定真实的荷载值，结构必须能支承这些规定的最小荷载。Design specifications 与建筑规范不同，设计规程给出结构构件及其连接的更具体的指南。 它们给出各种方针和标准，使结构工程师能建筑规范所规定的目标。根据其最新研究，设计规程结出认为是好的工程作法。它们通过补充或通过发布新版本得到定期修订和更新。如同一般建筑规范，设计规程由非赢利组织编写。尽管它们本身并无法律地位，但却以法令和禁令的形式给出设计准则和限制，以参考文献的形式，它们可容易地被录入，并作为建筑规范的一部分。Lesson 3Text Particle Size Analysis 粒径分析在各种土中所遇到的粒径范围很大，大到200mm小到小于0.001mm的一些粘土胶粒。 尽管天然土都是由各种粒径的颗粒组成，但通常可发现其主要组成颗粒出现在一个比较小的粒径范围内。当这一粒径范围非常小时，称这种土级配较差，而当其较大时，称这种土级配良好。土的许多工程特性，如渗透性、霜冻敏感性、可压缩性等都直接或间接的与土的级配特性有关。图3.1为粒径百分数的英国标准范围。通过确定落入由这些粒径分组和子组所代表的粒径范围的重量百分比，对土进行粒径分析。对于粗粒土，它里面的细粒土被除去或本身就无细颗粒，常用的方法就是筛分法。此法是将要分析土的一代表样本系统地分为方便的子样本，然后烘干。 再使烘干的土样通过一组筛孔尺寸由大至小放置的标准试验筛。称量每个筛中剩下的土样的重量，并计算出通过每个筛的累计百分数。根据这些数据，以半对数曲线的形式描出该土的粒径分布图，即所谓的级配曲线。细粒粗粒非常粗大颗粒粘土胶粒粉土砂砾石石块细中粗细中粗细中粗卵石块石 在土样中含有细土粒的场合，首先用湿筛分法将其除去，并确定粘粒/粉粒总共所占的分数。 将一适量的分土样烘干，并过筛分开最粗的颗粒（20mm的颗粒） 然后将土样浸入含有分散剂的水中，并在将其用63微米筛过筛前搁置起来（并将其搁置一会，再用63micron的筛子过筛）。将筛中保留的部分烘干，并用一组筛子过筛。称量落在每个筛中土重，并计算出通过每个的累计百分数后，就可描出级配曲线。由重量差确定粘粒/粉粒的总重，并将其表示为子土样总重的百分数。最粗的部分（即粒径20mm的部分）也可被过筛，并用其结果完成级配曲线的绘制。不能用筛分法对细粒部分的粒径分布作进一步分组。通常必须用沉降法实现此目的。首先将一小子土样用分散剂进行处理，然后洗过63的筛子。再从中取出500ml的土/水悬浮液，充分搅拌一会后让其沉降。此方法是基于斯托克思定律，即在重力作用下球形颗粒在某一悬浮液中下降的速度为颗粒直径颗粒重度 悬浮液的重度（通过为水的重度）（悬浮液的黏度）将式3.1变形得在给定时间t内，沉降一给定距离的那些颗粒的直径为Usually h=100mm, 通常h=100mm, giving 由此给出 因此在，在深度100mm处，t 时间后所取的悬浮液中将不会有粒径大于式3.2所给出的土粒; 但悬浮液中小于d的颗粒所占的比例仍保持不变。用液体比重计的方法包括以一系列时间间隔在深度100mm处测定悬浮液的比重。通过比重读数得到小于某一特定粒径的颗粒的百分数，从而可画出细粒部分的级配曲线。Grading Characteristics级配曲线是粒径分布的一种图形表达，因而可用来作为描述土的手段。 因此，人们总是认为在实验室报告或其它报告里附上几份级配曲线是一种好做法。还应牢记的是我们的主要目的是提供对土的类型的描述性术语。 这可容易地通过采用这种级配曲线做到，因为用它能估计出土中最有代表性的成分的粒径范围。 例如，陡峭的曲线可用来表示级配差的中砂，并表示其粒径范围比较小。通过采用某些称为级配特征的几何值，可进一步对级配曲线进行定量的分析。 首先，定出级配曲线上的三个点以给出以下特征粒径：只有10%土样通过的最大粒径；只有30%土样通过的最大粒径；只有60%土样通过的最大粒径；根据这些特征粒径，定义出如下级配特征：有效粒径均匀系数级配系数Lesson 4 Text Volume Changes of Concrete混凝土在硬结过程中会经历体积变化。如果蒸发失去水分，混凝土会收缩；但如果在水中硬结，它便膨胀。混凝土体积变化的原因可归结为含水量的变化、水泥与水的水化反应、温度变化和所施加的荷载。Shrinkage混凝土干燥时的体积变化量不等于它所失去的水的体积。自由水的蒸发基本不产生收缩。 随着混凝土的不断变干，水分蒸发，受约束水泥浆的体积也变化，导致了混凝土的收缩，这多半是由于残留在混凝土中的水的毛细张力所致。 毛细管变空导致无收缩的水分丢失，但一旦失去吸收的水分，收缩便发生。许多因素都会影响因水分环境发生变化而产生的混凝土收缩。1、水灰比：水灰比越大，收缩越大；2. 水泥的成分和细度：早强和低热水泥的收缩大于普通水泥，水泥越细，其在潮湿环境中的膨胀越大。3.骨料的类型、含量及其级配：骨料的粒径越小，收缩越大；骨料含量越大，收缩则越小。4.外部条件，水分与温度：潮湿环境下的混凝土试件的膨胀量为200 to 30010-6，但如果让其在空气中干燥，它们将收缩。高温加速了水分的蒸发，因此也加快了收缩。5. 添加剂： 使用水量增加的外加剂也增加了收缩值。6.试件的尺寸和形状：当收缩在钢筋混凝土构件中发生时，混凝土中产生拉应力，同样大小的压力产生于钢筋中，这些力与荷载引起的力相迭加。因此，当钢筋的配筋率高时，可能会使混凝土开裂。钢筋的合理分布、会使混凝土中的拉应力分布更有利，可减小内部应力差。 普通混凝土的收缩应变终值在200 and 70010-6之间。 对常重混凝土，收缩应变终值可取为30010-6 ， 英国CP100规范不出的收缩应变终值为50010-6， 这表示3m长素混凝土薄截面构件的非约束收缩为1.5mm. 如果此构件受到约束，便产生了大约10N/mm2 (1400 psi) 的拉应力。 如果凝结后将混凝土保持在潮湿环境中，可减小其收缩。. 因此，将混凝土至少在潮湿环境中养护7天非常重要。将混凝土置于风中将增加其在迎风一侧的收缩速率。 收缩引起结构构件的挠度增大，而挠度也随时间而增长。混凝土截面的对称配筋可防止因收缩而产生的曲率和挠度。通常，在硬结初期，混凝土收缩较快，但在后期，收缩速度会慢慢变小。 可以说15% to 30%收缩量的发生在前两周，40% to 80%发生在前一个月，70% to 85%发生在第一年。Expansion Due to Rise in Temperature 升温膨胀混凝土受温膨胀，变冷时收缩。 一般混凝土的平均收缩值为每华氏度5.510-6（或每摄氏度1210-6）。英国标准规范的建议值为每摄氏10-5 、这一值表示如果30m长的构件温度变化33度，其长度变化为10mm. 如果该构件受到约束但并未配筋，由此产生的应力可能约为7N/mm2 (1000 psi)。在较长的钢筋混凝土结构中，每隔100英尺到200英尺（30m至30m）必须留伸缩缝。 伸缩缝宽度约为1英寸（25mm）混凝土并非好的热导体，但钢材却是。因此混凝土的承载能力并不太受温度的影响。Greep徐变混凝土是一种弹塑性材料，即使受低应力作用，它就产生伴有弹性应变的塑性应变。在持续荷载作用下，在很长时间内其塑性变形连续增长，甚至可达数年。 此变形在加载后的前4个月最快。这种在持续应力作用下的缓慢变形称为徐变。图2.5表示受荷载作用的一混凝土圆柱体。其瞬时变形为1，它等于应力除以弹性模量。如果将此应力保持一段时间，便可测出另一由徐变所产生的应变增量2，如果卸去荷载，弹性应变便得到恢复，同时还产生一些徐变应变。 最终会剩下永久塑性应变3，如图2.5所示。 在此情况下，3=(1)2, 是恢复徐变应变与总徐变的比值。 其值在0.1至0.2之间。徐变后效的大小随先前徐变的大小而变化，且在很大程度上取决于荷载的持续时间。如果持荷时间增加，徐变恢复率将变小，这大概是由于混凝土在变形硬化所致。Figure 2.5 Deformation in a loaded concrete cylinder: (a) specimen unloaded, (b) elastic deformation,(c) elastic plus creep deformation, (d) permanent deformation after release of load.徐变在强度更高的骨料周围的硬结的水泥基中产生，这可能是由于沿晶格中一些平面发生滑移、晶格变化所产生的内部应力、及混凝土凝胶体中水分不断丢失的结果。影响徐变的各种不同因素可概括如下：1. 应力大小：2. 持荷时间：3. 混凝土强度和龄期：4. 周围环境条件：5.加载速率：6.钢筋混凝土结构中钢筋的配筋率及其分布：7.混凝土尺寸：8.水泥的类型、细度和含量：9.水灰比：10.骨料的类型和级配：11.养护方式：徐变不仅产生于受压，它也产生于受拉，受弯和受扭。受拉徐变的速率与受压徐变的速率之比在前两周将大于1，但会在长时间内减小。许多研究者都对混凝土的受压徐变进行了试验研究。对28天龄期加载的普通混凝土，=单位应力下单位时间内的徐变。随时间的增加，徐变会大大增加钢筋混凝土梁的挠度。过大的变形会影响结构的稳定性。持续加载会影响混凝土的强度和变形。 当混凝土在持续集中荷载作用下长达一年时，其钢筋混凝土的强度可能要降低30%.混凝土的疲劳强度大大低于其静力强度。受压的重复加载和卸载会导致混凝土塑性变形的逐渐积累。如果混凝土不断受压加载2百万次，其疲劳强度容许值会降为其静态抗压强度的50%至60%. 在梁中，混凝土的疲劳强度约为其静态强度的55%.Lesson 5 LoadsText Loads(1)Introduction 除特殊情况设计规程外（如起重机设计规程），一般设计规程并不规定荷载的大小，尽管它是作为结构分析所输入的基本变量。设计规程的作用就是对于给定的荷载值及其效应，详细说明用设计材料能得到满意构件及其连接尺寸的方法和准则。因此，规程反映了结构必须满足的各种要求，从而使其具有这样一种结构反应，它能使其达到所要求的性能。另一方面，荷载取决于建筑物的使用类型，这反过来取决于相应的地区，地方和国家法规，即常说的建筑规范。建筑规范的荷载传统上都是作为标准值给出，它们是根据材料特性确定（如恒载）或荷载调查所确定（如活荷载及雪荷载）为了适当地确保作用在任一结构上的荷载不超过规范值，后者往往都要比任一时刻作用任一结构上的荷载值大些。事实上，这可能就是过大的重力荷载大都不会导致结构破坏的原因所在。尽管可能如此，实际上结构上的各种荷载都具有随时间而变化的随机变化特性，且这种变化也取决于荷载类型。不是去处理看上去具有定值特征的标准荷载，现实的设计方法应同时考虑荷载和强度的变异性，以便以合理的手段得到足够的结构安全度。由于荷载的随机变化是时间以及许多因素的函数，严格地讲，通过采用随机分析方法以反映时间与空间的相互影响，应使建模对此加以考虑。许多研究工作都涉及了这一高度复杂的现象，特别是当其属于活荷载时。然而，实践中采用时间相关荷载至少半是麻烦的，尽管在一些情况下必须考虑其相关性（即在有地震作用时）。对于大多数设计，规范将规定荷载的大小，就象它们是静载似的。通过采用出现在某一参照期（重现周期）内的最大荷载及其统计特性，将它们的时间和空间的变异加以考虑.。例如，美国活荷载准则基于50年重现周期，而加拿大准则是30年。结构的地理位置对某些荷载起很重要的作用。特别是对于雪、风和地震作用更是如此。第一种荷载对美国中北部和东北部地区非常重要，第二种对具有大风的沿海地区和山岭地区特别重要，第三种对具有地震断裂带的地区则特别重要。由于数个现象使风作用效果的设计复杂化。类似于雪荷载和地震作用，在本国的一些地区，对风荷载更加重视。同时，风载不但非静态，而且也非均匀变化，同时还受结构几何形式和周围结构物及地形的影响。 在一定程度上，这也适用于雪荷载.。建筑规范将这些作用作为静力荷载并用半经验公式将其与实际情况相联系。这使设计者能更好地处理复杂问题，但当实际结构与设计规范出入太大时，便导致了一些困难。为此，风荷载、有时地震荷载和雪荷载都要用模型试验来确定。 特别是风洞试验，它已经成为这些努力中一个有用且实用工具。 除恒载外，通常都假定结构上的荷载与结构类型及其材料无关。然而，一建筑物的反应将随其建材的不同而不同，这取决于荷载的类型。 例如，在侧向荷载作用下，特别是当其由地震所引起时，抗弯钢框架的工作性能将全然不同于有支撑框架的性能。 另一方面，这两种框架对重力荷载反应的差别却并没有那么大。一个结构物的大小（如其高度，楼层面积）对大多数荷载的量值影响很大。例如，所有的荷载都受多层建筑高度增加的影响。与这类似，单个构件所支承的楼层面积越大，整个楼层上满载规范规定的活荷载的可能性将越小。在此情况下，将采用活荷载折减法以得到更真实的设计值。Lesson 6TextConcepts of Structural Analysis能用各种方法对结构进行分类。不认真的观察者首先考虑的是根据其相应功能进行分类，如建筑物、桥梁、飞机、塔楼等等。事实上这种结构分类的根据是基本的。所有结构物都因其某些功能而存在。正是由于要使它们完成某些功能要求才促使设计者终生致力于结构设计。此外，也正是对某一功能的安全的、适用的、可行的、和美学上满意的实现决定了一个结构的形式、所用材料和加载方式。一旦结构的形状和建筑材料确定之后，可将结构再按其形式分类（如拱、桁架或悬挂结构）或按其所用材料分类（如钢结构、混凝土结构或木结构）。结构的形式和建材反过来决定了结构的性能，其性能进而又分析模型的特点。图6.1形象地说明了结构的功能、形式、建筑材料、荷载、结构性能、分析模型储因素之间的关系。至此，我们有必要来讨论一下图6.1所示结构性能的一些方面，并我解释一下它们各自与结构的形式和建筑材料的关系。如果一结构对其加载的响应，譬如某点的位移与所施加的荷载大小成正比，则此结构就是线性的。 如果此比例不存在，则该结构就是非线性的。结构非线笥分为两类(1) 材料非线性，此时材料的应力与应变不呈比例；2）几何非线性，此时在荷载作用下其形状与未加载前发生了很大变化。(例如结构中索的存在往往会引起几何非线性，因为索的下垂会产生位移，可以证明，这种位移与索中的内力并不成线性关系) 因此，结构所采用的建筑材料可能被分类为弹性、塑性或粘弹性。当卸除荷载后，弹性材料能回弹以其初始外形，但塑性材料会有一永久变形粘弹性材料的变形与时间有关，因而与加载历史有关，但弹性和塑性材料的变形却与时间无关。一个结构体系是非保守的或保守的，取决于经过一次加载和卸载该体系中有无能量损失。如果卸载后体系并未回到其初始形状，通常都有能量损失，这是要么是由材料非线性引起，要么是由结构内部或其构件之间存在摩擦力。结构的所有这些性能都将对研究结构时的分析方法起到很大的影响。而且，在建立分析模型时，必须考虑结构材料是否均质、是否各向同性，还是正交各向异性。均质材料的物理性能在各点都相同的，但非均质材料并非如此。 各向同性材料的物理性能在各个方向都是相同的但各向异性材料却并非如此。正交各向异性材料是一种特殊的各向异性材料，它在其三个主轴方向的特性不同，但在所有其它方向上的特性则取决于其三个主轴方向的特性。)结构的其它方面，尽管也是设计中要考虑的主要因素，通常将对分析方法影响不大。这些因素包括脆性、延性、可燃性、质地、颜色、硬度和可加工性。最后讨论一下加载特点，它取决于结构的功能，也会影响结构的分析。结构上真正的静力荷载是恒载，即重力荷载。然而，如果其它荷载施加的足够缓慢，就将其称为伪静力加载，从而分析时可认为是静力的。加载是否足够缓慢取决于加载持续时间是否大于所分析结构的基本周期。通常只有当荷载是周期性的或当共是突然施加的，才将其作为动力荷载处理。即使在此情况下，有时在分析中采用一个所谓的“动力系数”来考虑突然施加荷载的效应，分析结果仍以静态加载形式结出。荷载还可分为外力或内部初始变形。热负荷就是内部初始变形（如初始应变）加载的典型例子。不幸的是，通常对结构性能的描述并不象上述如此清楚。也就是说，材料并不是“线性”或“非线性”；也不是“弹性”或“塑性”，其性能取决于环境因素，如外界情况和加载速率。由于分析中所必须考虑的结构性能类型可能取决于要研究的结构响应的类型，这就使这种描述变得更加含糊不清。 例如，比较简单的分析模型可能足以得到静态的位移和应力结果，但需要更复杂的模型以得到振动或曲屈分析结果。为了阐明这一问题以讲解清楚结构矩阵分析方法，我们将对结构特性作一些简化假定。 因此，我们将讨论线弹性保守结构因静力加载所引起的位移和应力。我们将进一步将注意力集中到离散杆系结构（刚结和铰结框架结构）而非连续结构。然而，重要的是要在开始就认识到我们将要介绍的概念可推广到许多其它结构问题，其中包括动力响应、材料及几何非纯属、非弹性、失稳和连续结构体系。而且，同样的概念也可应用于其它工程领域的问题，如土工学、水力学、热传导以及甚至是工程领域之外的问题。最后，为了节省时间和篇幅，我们研究的大多数问题将涉及平面内受平面力作用的平面结构。这一方法将保持足够的普遍性，从而使所得到的分析方法能容易地推广到三维空间问题。Lesson 7Text Soil Compressibility and SettlementTypes of Ground Movement and Causes of Settlement地面运动和相关结构稳定性之间的关系比较复杂。首先，导致地面运动的机理有多种，而且，结构形式也多种多样，每一种抵抗地面运动的能力也不同。一些建筑物，如砖石结构，脆性很大，即使在很小的基础位移发生时就可能导致其开裂，甚至结构破坏。其它结构形式可经受很大的地面运动而不发生真正破坏。Compaction夯实是强迫土粒以更密集的形式堆积，从而导致其体积减小和空气被排出的过程， 夯实需要输入机械能，这通常是自重加载或地面附加荷载的结果。而且我们知道，由交通车辆引、重型机械和某些施工工作，如打桩等产生的振动也是夯实沉降的原因。在地震区，地震波也可能具有类似的功效。最易受振动作用的土包括松砂土、松砾砂土和填土，特别是未经充分碾实和夯实时。Consolidation在饱和粘性土中，增加荷载的效果就是将一些空隙水从土中挤出去，这一过程称为固结。其体积逐渐减小直到空隙水压力达到平衡为止；如果土仍能处于饱和状态，减载可引起土的膨胀。本章剩余的大量篇幅将详细研究土的固结过程及其由此引的起沉降的计算方法。极为重要的就是要明白必须有荷载的变化来产生此过程，且最终沉降可能需要数年才能完成。Elastic Volumetric Settlement弹性体积沉降在超固结土中，有效土压力的增加将导致土的弹性（大约为弹性）的压缩，如果土压力未超过其屈服点。而当其压力增至超过其屈服点后，非线性（即固结）沉降便发生。 因此，对严重超固结粘土，由于其屈服点很高，其沉降计算可根据弹性理论进行，并用其有效应力所对应的诸参数。也可根据其膨胀再压缩曲线的斜率估计其沉降。粘土的弹性可能是来自其薄的片状颗粒的弯曲。Immediate or Undrained Settlement瞬时（或不排水）沉降瞬时（或不排水）沉降是加载过程中的沉降，此时土还未发生大的体积变化。 尽管理论上讲，在各种加载过程中都发生此类沉降，但它被伴有体积变化的固结沉降所掩盖。因此，瞬时沉降量的计算通常与快速加载有关，例如，建筑物下面的沉降。可将某一给定深度处土的不排水刚度假定为弹性常数，从而用弹性理论估计其沉降量。Moisture Movement水分移动 当一些粘土的含水量增加或减小时，会伴随着明显的体积增大或减小。具有此特性的粘土也称之为可收缩土或膨胀土，它们常出现在南部和东部的一些地区。Effects of Vegetation植被的影响使高塑性土沉降的另一因素就是树木根的作用。一些树根系的径向沿伸要大于其高度，它们也可能有几米深。在相距一排白杨树25m的房屋的基础上曾观测到100mm的位移。将这些树移走意味着土中的含水量将增加，从而土将发生膨胀。 在要移走大量树木的场地上建造房屋时，要等一两个冬季过后，土中水分达到平衡后再动工。Effects of Groundwater Lowering地下水位下降的效应当从开挖的基坑中将水抽出时，其周围地下水位将会下降。 由于以下两种过程，这种含水量的减小会导致沉降。其一，如上所述，在一些粘土中，含水量的减小将导致体积减小，从而使下降后的地下水位以上的土收缩；其二，空隙静水压力的减小导致下层土的有效覆盖土压应力的增加，从而可能使下降后的水位以上的土（特别是粘土或泥炭土）发生固结。Effects of Temperature Changes 温度变化的效应当炼钢炉、砖窑、烤炉和锅炉房基础下的粘土变干时，土可出现严重的收缩。例如，在不到两年内，一个建造在伦敦粘土的锅炉房中心沉降了150mm，周边沉降了75mm. 因此，通过在此类热源和基土之间设置一敞开的或碎石填充的通气层。Effects of Seepage and Scouring 渗透和冲刷效应 在某些砂土中，如细干砂土或黄土中，水的流动能移走一些细小颗粒。冲刷是土被地表水或水流带走的过程，但这在下水管或供水主管道破裂的地方也可能发生。在大大低于地下水位的围堰和类似结构中进行开挖作业时，水的向上运动可能会导致一种称为管涌的不稳定。在干燥地区，此类土可能会因风作用而产生表面侵蚀。Loss of Lateral Support 失去横向支撑一种常见的、通常会导致严重的、甚至是灾难性的建筑物破坏的基础运动， 都是由基础周围开挖深孔所致。有在建筑物周围进行开挖造成建筑物破坏的许多实例。 基底土的承载力与其周围土所提供的侧向支撑有关，从而在计算土的极限承载力时是计入这一影响的。 如果移去这一支撑，如在无支撑开挖时所出现在那样，可能出现的问题就是基础下土发生剪切滑移，从而将基础带入开挖的坑中。 与之类似，由于土的滑动或流动所引起的自然坡或切坡的运动也可能导致基础沉降。Lesson 8 Text: Structural Steel BehaviorMechanical Properties under Static Load在静力荷载作用下大多数结构钢的一些力学性能如图8.1所示，最初钢材的线性应力-应变曲线为线性，其斜率为杨氏弹性模量。弹性模量E的变化范围是22.1兆帕，通常假定其值约为2兆帕。钢材在此线性阶段保持弹性，卸载后可完全恢复。线弹性性能的极限常近似为屈服应力Fy，相应的屈服应变为Fy/E。 超过此极限后，钢材出现塑流，直至应变增止应变硬化应变est前，其应力都不再增加。些塑性范围通常都比较大，它是钢材具有延性的原因。 当超过应变硬化应变后，应力便超过屈服应为Fy，赶到应力达到极限应力Fu。至此，截面出现局部减小，承载力下降，最终出现拉断破坏。屈服应力Fy也许是一结构钢最重要的强度特性。它随钢材的化学成分的不同具有明显变化，最为主要的化学成分包括碳和锰，它们的增加都能提高钢材的屈服应力。 屈服应力随所采用的热处理和轧制过程中的加工量而变化。因此，加工较多的较薄的钢板比具有同样化学成分的较厚钢板的屈服应力高些。冷加工也提高钢材的屈服应力。应力速率影响屈服应力，高的应变速率使上（或第一）屈服应力以及下屈服应力Fy都有提高。确定某一钢材屈服应力的试验中所采用的加载速率大大高于实际结构常遇到的大致静态加载的速率。为了设计目的，为每一不同级别的钢材指定一个所谓的最小屈服应力。在澳大利亚和英国，这些分级是基于钢材的化学成分和热处理，从而在每一分级中，屈服应力随轧制型钢或钢板的最大厚度而降低。而在美国，每一级别的化学成分和热处理不同，引用的屈服应力并不随厚度而变化。某一钢材所谓最小屈服应力由许多标准试验结果所确定。由于局部化学成分，热处理，加工量，厚度以及加载速率的小的差异，标准试验的结果具有比较大的离散性。鉴于此，为某一特定钢材所指定的、用于设计的所谓最小屈服应力Fy通常是一个标准值，它具有在任一标准试验中被超过的一特定几率（常为95%）。 因此，某一试验结果可能会大大高于所指定的屈服应力。当然，如果对除了截面最厚部分以外的任何部分进行试验，这一差异将会更大。通常认为根据单轴拉伸所确定的屈服应力也适用于单轴受压。Fatigue Failure under Repeated Loads 在许多轮脉动荷载作用下，结构钢可能在平均拉应力较低时就断裂。这种高周疲劳破坏始于反复加载产生的局部破坏，因为它导致了局部细小裂缝的出现。而后的反复加载导致疲劳裂缝逐渐延伸，直到最终有效截面减小太多以致出现灾难性破坏为止。只有当在结构设计寿命内可能出现大量加载次数时才在设计中考虑高周疲劳。这种情况常见于桥梁、起重机以及支撑机械的结构，而风浪荷载也可能导致疲劳问题。严重影响抗疲劳破坏的因素包括加载次数、每一加载的应力幅以及局部应力集中的大小。 防止疲劳的设计要考虑结点的布置以及容许应力， 通常结点应布置得使应力集中最小，且应尽可能产生通过结点的平滑的应力流。在确定焊接详图时也应谨记此点，应避免不必要的应力提高因素。在可能的地方，将结点位置限定在低应力区也是有益的，如反弯点或中性轴附近。Brittle Fracture under Impact Load结构钢并不总是表现为延性，在一些情况下，突然的灾难性的破坏也可能发生，即使其名义拉应力较低时。脆性破坏始于高局部应力区细小裂缝的存在或形成，这些裂缝一旦出现，便可能以延性的（或稳定的）方式发展，并且这种发展需要外部力提供能量才能将钢材拉断。更为严重的是以脆性（或不稳定）方式高速发展的那些裂缝，这种发展需要存储于钢材中的内部弹性应变能的释放来使钢结构破坏。当有足够的内部应变能时，这种裂缝是自发展式的，并且将继续发展直到被其路径上的具有足够变形能力从而能吸收所释放的内部能的延性构件所阻止为止。结构抵抗脆性破坏的能力取决于局部应力集中，钢材自身的延性以及结构的三维几何约束。高局部应力易导致裂缝出现，因此由差的几何形式和加载布置（包括冲击加载）所致的应力集中都是危险的。材料中的裂缝和缺陷也很重要，它们不但提高局部应力，也是裂缝可能出现的区域。结构钢的延性取决于其万分、热处理和厚度，并随温度和加载速率变化。图8.2 表示受到冲击时，钢材所能吸收能量的能力随着温度的增加。低温时，吸能能力也低，脆性裂缝比较容易出现和发展， 但当温度较高时，由于延性屈服，钢材的吸能能力提高，裂缝能停止延伸。在这两种极端情况下存在开裂越来越困难的过渡区，脆性破坏的可能性也会由动态加载所产生的高应变速率增加，这是因为动态加载所产生的屈服应力的提高降低了由延性破坏所可能带来的能量吸收。钢材的化学成分对其延性影响很大：过多的非金属元素的含量会增加其脆性，而一些金属元素的存在会增加延性。 含有较大晶体颗粒的钢材一般都会更脆些，这主要受热处理及其厚度的影响（较厚的型钢的晶体颗粒一般都比较大些） 三维几何约束，如在较厚或体积较大的构件上出现的几何约束，也会使脆性增加，这是因为此时局部应力更高，开裂时所释放的能量更大，从而使裂缝也更容易扩展。Lesson Ten Text Reinforced Concrete BeamsSingly Reinforced beams 在应用力学里，已经研究了均质梁的性能, 所建立的纯弯基本公式如下： 如果材料是弹性的，服从虎克定律和贝努利平截面假定，且梁是均质弹性的，则采用以上公式，就可得出梁长任意点处某截面上的应力、曲率、转角和挠度。在浅钢梁的情况下，我们知道以上假定都成立的。在混凝土情况下，由于其抗压强度高而抗拉强度低，素混凝土梁在受拉区开裂而突然破坏。 为了增加素混凝土梁的强度，通常都是将钢筋布置在受拉区，从而有了钢筋水泥混凝土的问世和应用。由于钢材强度是混凝土强度的15至