土木工程专业英语翻译雷自学主编

1、土木工程专业英语 雷自学主编 知识产权出版社 翻译译文第一课 人造建材 建筑材料是用于建筑目的任何材料，许多自然形成的物质，如黏土、砂子、木材、岩石，甚至岩石和树叶都用来建造房屋。除了天然材料之外，人们还使用许多人造材料，它们或多或少地都是人工合成的。建材生产已经是许多国家的固有产业，这些人工材料通常都按特定工种分类，如木工、管道工、屋面和保温工程，此处涉及到的是用于居住和结构的建筑材料。 砖和砌块砖是一种窖中烧制的块材，通常由黏土或者页岩，甚至低级泥土等制成。在软泥制作法中，粘土砖是用模具成型；而在商业化硬泥加工法中，更多的是将粘土挤压过一个硬模，然后用钢丝将其切成合适的尺寸。在17、18和

2、19世纪，砖曾被广泛用作为建筑材料，这大概是因为其在不断拥挤的城市中比木材更耐火，而且较廉价的事实。在20世纪晚期，另一种块材取代了粘土砖，这就是所谓的煤渣砌块，它们大都由混凝土制成。在发展中国家有一种重要的廉价建材称为砂砖，与烧制粘土砖相比，其强度较低但却更加廉价。混凝土混凝土是一种复合材料，由骨料和粘结物（如水泥）制成。最常见的混凝土是波特兰水泥，它是由矿物骨料、波特兰水泥和水混合而成的。混合之后，水泥发生硬化反应，最终硬结成为一种像石头一样的材料。当在一般意义上的使用时，将这种材料称为混凝土。对任意尺寸的混凝土结构，由于其抗拉强度很低，通常用钢筋对其进行加强。为了尽可能的减少使混凝土结构

3、性能降低的气泡，当将具有流动性的混凝土拌合料浇入钢模时，用振捣器将其排出。混凝土已经是现代社会的主要建筑材料。混凝土造价低廉并且能够长期支撑结构物。金属金属用作为大型建筑物（如摩天大楼）的结构框架，或者作为内装修材料。用于建材的金属有很多种，钢材是一种金属合金，其主要成分为铁，常用作为金属结构的建筑材料。钢材强度高，柔性好，例如精制而成或者经过处理，其耐久性亦好。若使用年限较长，锈蚀则是金属的主要缺陷。铝合金和锡合金的低密度和更好的耐锈蚀性有事抵消了其高成本，黄铜在过去更为常见，但是现在仅限于一些特殊场合。金属广泛应用于预制结构中，如匡西特活动板房，在大多数大都市中其应用比比皆是。生产金属需要

4、大量人力，特别是建筑业需要大量金属时更是如此。其他用途的金属有钛、铬、金和银。钛可以用于结构物，但是其价格比钢材高出许多。铬、金和银用于装饰，这是因为它们价格高而且结构性能差，比如其抗拉强度和硬度都较低。玻璃自从有了覆盖建筑物的小洞口的玻璃以来人们一直在使用明亮的窗户。玻璃能使光线射入房间同时还能隔绝外界恶劣气候。它通常是由硅和硅酸盐混合制成，因而极易破碎。现代玻璃幕墙可以用来覆盖整个建筑物表面，在空间框架中也可以玻璃来覆盖大跨度屋面结构。陶瓷陶瓷制品有瓷砖和固定设备等，陶瓷最常用作为固定设备或建筑物表面装饰。陶瓷曾经是一种特殊的窑中烧制的粘土陶瓷，但是它已经发展为一种技术含量更高的材料。塑料

5、塑料这一术语包括一系列人造或者半人造有机缩合或聚合物，只要它们能模制或挤压成为物体、膜或者纤维即可。其名来自于在半液态时的延展性。塑料的耐热性、硬度和弹性千差万别，结合此适应性，塑料成分的一致性和其较轻的自重使其几乎可以用于各行各业。纤维织物帐篷曾经是游牧民族住所首选，这其中包括两种著名的形式，即圆锥形帐篷和蒙古包。随着抗拉结构的出现，帐篷已经发展成为以后总主要的结构技术。现代建筑物可由柔性材料制成，并由一种钢缆体系或者内部气压支撑。 第二课 抗拉强度抗拉强度是使材料发生断裂或者产生永久变形的应力。材料的抗拉强度是一种延展特性，因此它并不取决于时间的尺寸。但是它取决于试件的制备、测试环境的温度

6、和材料温度。抗拉强度以及弹性模量和抗锈蚀性都是用于各种结构和机械装置的工程材料的重要参数，对于各种材料，如合金、复合材料、陶瓷、塑料盒木材等都规定了其抗拉强度。有三种抗拉强度屈服强度，是材料从弹性变形到塑性变形转化时的应力极限强度，是材料承受拉伸、压缩或者剪切时可以承受的最大应力，是应力应变曲线上的最大应力断裂强度，与应以应变曲线上的断裂点相对应的应力各种抗拉强度如下面的低碳钢的应力应变图（Fig.T1.1a)所示：金属材料在达到屈服点之前具有线性应力应变的关系。如图Fig.T1.1a所示。由于应力作用区的碳原子相互作用和错位，有一些钢材在屈服强度后出现应力下降现象。冷加工钢材和合金钢并无这种

7、效果。大多数金属的屈服点不是那么明确。应力低于屈服强度是，在卸载之后变形可以完全恢复，材料将返回到期初始形状。如果应力超过屈服点，则变形就是不可恢复的，材料不会恢复到其最初始的形状。这种不可恢复的变形称为塑性变形。对于许多应用来讲，塑性变形是不能接受的，因而将屈服强度作为设计极限强度。过了屈服点之后，钢材和许多其他延性金属将经历一段应变硬化的过程，即在达到其极限强度之前随着应变的增长，应力再次出现增长。如果材料是在这一点上卸荷，应力应变曲线将与起点和屈服点之间的曲线相平行。若是重新加载，它将会按照卸载曲线重新达到极限强度，并成为新的屈服强度。当将金属材料加载到其屈服强度之后，它将发生颈缩，即截

8、面面积由于塑性流动而开始减小。当颈缩很大时，可能导致工程应力应变曲线关系逆转变化，即因为几何效应而使应力减少应变增加。这是因为工程应力应变是在假设发生颈缩前原横截面积的基础上算得的。如果此曲线是以真正的应力和应变描出，即真正的应力是按减小后的截面修改后得到的，它将总是上升的而没有下降段。在材料受压加载中没有观察到颈缩现象。工程应力应变曲线的峰值应力称为极限强度。颈缩过后，材料将被拉断，所储蓄的弹性能量将以声和热的形式释放出来。材料断裂时的应力称为材料的抗拉强度。延性金属没有明确定义的屈服点，通常将屈服强度定义为“0.2%残余应变”相对应的应力值。0.2%残余应变对应的屈服强度可以通过残余应变为

9、0.2%的横坐标，以初始斜率画平行直线与应力应变曲线的交点来确定。一条典型的铝的0.2%残余变形的应力应变曲线如图T1.1b所示。脆性材料比如混凝土和碳纤维是没有屈服点的，没有应变硬化，这意味着最终的强度和断裂强度是相同的。某一特殊的应力应变曲线如图T1.1c所示。典型的脆性材料不显示任何的塑性变形，而且在弹性变形阶段破坏。脆性破坏的特征之一是，这两个部分可以被重新组合而形成与原始构件相同的形状。典型的脆性材料的应力应变曲线是线性的。测试几个相同的试件会有不同的破坏应力。下面描述的是一典型的在高于玻璃转化温度以及低应变率下所测试的脆性聚合物应力应变曲线。一些工程陶瓷在应力低于破坏应力是表现出较

10、差的延性，但是曲线的初始部分是线性的。抗拉强度是用材料单位面积可以承受的力的大小来衡量的。在SI单位制中，单位是牛顿每平方米或者帕斯卡，可以加上适当的前缀。非十进制单位是磅每平方英寸。北美工程师通常使用该协会的单位是兆帕。一兆帕是每平方英寸145.037738英镑的力。对于例如岩石、砼、铸铁或土壤的脆性材料，抗拉强度与抗压强度相比可以忽略不计，许多工程应用中假设为0。玻璃纤维比钢具有更强的抗拉强度，但是大部分玻璃通常没有，这是由于材料应力强度因子缺陷。由于样本尺寸较大，该缺陷大小也增加。一般说来，一个绳索抗拉强度总是比其单个纤维抗拉强度低。 第三课 梁 梁是一种能够通过抵抗弯曲变形来承受荷载的

11、构件。由于外部荷载、自重和外部反应使梁产生弯曲的力都称为弯矩。梁一般可以承受竖直方向的重力荷载，也能承受横向荷载（例如由地震或风引起的荷载）。由梁所承受的荷载被传至柱、墙或大梁，大梁再将力传至其附近的受压结构构件。在轻型框架结构中次梁安置在主梁上。梁的性能由它们的横截面形状、长度和材料所决定。在现代建筑中，梁一般是由钢材、钢筋混凝土或木材制成。最常见的一种钢梁是工字梁或者宽翼缘梁（也被称为通用钢梁）。它们通常用在钢结构建筑或者桥梁结构当中。其他常见的梁的形状还有槽型、箱型梁（空心结构截面梁）、管型截面和L型。弯矩的影响因素在本质上讲，由于施加在梁上的荷载，梁通常要承受压力、拉力和剪力。一般而言

12、，在重力荷载作用下，原梁上缘长度会略有减少而形成一较短的弧线，从而受压；而同样长度的原下缘则略有伸长而形成一较长的弧线，从而受拉。介于梁上缘和下缘中间部位的梁轴线的原厂与弯曲弧线长度相等，它既不受压也不受拉，从而确定了中性轴的位置。在支撑处，梁承受剪力。有些钢筋混凝土梁是完全受压的。这些梁就是预应力钢筋混凝土梁，在制作时就希望它们在荷载作用下能够产生压力而不是拉力。先张拉高强度钢筋，再将砼浇筑于其上，然后，当混凝土开始养护时，放松梁中的钢筋，梁便受到偏心压力的作用。这种偏心压力时梁产生内部弯矩，从而提高了梁的抗弯承载力。它们通常用在高速公路的桥梁中。梁的结构分析的主要工具是欧拉伯努利梁方程。其

13、他的确定梁的挠度的数学方法由虚功法和转角位移法。工程师对确定梁的最大挠度最感兴趣，因为梁有可能与玻璃之类的易碎材料接触。出于美观方面的考虑，梁的挠度要减小到最小。一个可见的下垂梁，即使在结构上是安全的，也不能忽视，要避免产生较大的挠度。刚度较大的梁（更高的弹性模量）在荷载作用下产生的挠度更小。确定梁的应力的数学方法有力矩分配法，柔度法和刚度法。一般形状在钢筋混凝土建筑物中，大多数梁的截面形状是矩形，但是最有效的截面形式是通用梁。将大多数材料放置于距中性轴（对于通用梁来说就是其对称轴）较远的位置增大了梁截面的二次矩，这反过来也增大了梁的刚度。在一个方向受弯时，通用梁是最有效的截面形式：上下看起来

14、都如工字型。如果柱子是在任何方向都受弯时，最有效的截面形式是圆筒状或者管状。但对于单向受弯来说，通用梁就是首选。有效意味着对于相同的截面面积，当承受相同的荷载时，梁的挠度最小。梁的其他截面形式，例如L型梁、槽型梁或者管状梁，当工程中由特殊要求时也会使用。第四课 桁架在建筑工程和结构工程中，桁架是一种有细长直杆建成的一个或者数个三角形单元所组成的结构，这些直杆的端部由所谓的结点相连接。外力和支座反力被认为只作用于节点上，因此在杆件中只产生压力或者拉力。平面桁架是所有的杆件和节点均在二维平面内的桁架，而空间桁架的杆件和节点在三维空间内。由于三角形的结构稳定性，桁架由三角形构成。当杆件长度不变时，三

15、角形是最简单的不会改变其形状的几何体。相比之下，正方形的杆件长度和角度不发生变化时其形状才能保持不变。典型桁架最简单的桁架形式是一个单一的三角形。这种桁架经常出现在由椽子和天花板龙骨组成的框架式屋顶。由于这种结构形式的稳定性和分析师所使用的计算方法简单，完全由三角形组成的桁架成为简单桁架。平面桁架位于同一平面上。平面桁架通常并联形成屋架和桥梁。空间桁架是两段铰接的杆件组成三维网架。四面体是最简单的空间桁架，它是由交汇于四个节点的6个杆件构成。桁架高度，就是上下弦之间的高度，是这一有效结构形式的关键。与桁架相比，与其强度相同的实体梁的重量要大得多，其材料成本也会高出许多。当跨度一定时，桁架越高，

16、弦杆所需要的材料就越少，而竖杆和斜杆所需要的材料就会越多。所以合适的桁架高度回事桁架性能发挥到最好。桁架的类型桁架有两种基本类型：坡顶桁架的特点是在于其形状是三角形。它极常永于屋面结构。一些常见的桁架根据其梁腹形状命名。弦杆的尺寸和腹杆形状取决于跨度、荷载和腹杆间距。平行弦桁架，因为其上下弦杆平行而得名。它常用于屋面结构。 一上两者的结合就是截顶桁架，用于四坡屋顶屋架结构。一个金属板连接的木桁架为屋架或屋盖桁架，其杆件由金属节点板连接。桁架的静力学分析如果桁架的构件由铰接点相连接，且其两端由铰支座或滚动支座支承，则称为静定桁架。牛顿定律适用于整体结构以及每个杆件或者节点。为了任一点在外荷载作用

17、下在空间内保持平衡，必须满足以下条件：横向力、竖向力的总和以及关于节点的力矩之和为零。分析每个节点的这些条件，就可以得出每个杆件的内力大小。这些力有可能是压力或者拉力。在两个以上位置支承的桁架称为超静定桁架。因为仅仅用牛顿定律是不足以确定杆件的内力。为了保证铰接桁架稳定，他必须完全由三角形组成。在数学上，稳定的必要条件如下：（a）式中m是桁架杆件数，j是节点数，R是反力数，在二维结构体系中一般是3。当m=2j-3，则称为桁架是静定的。这是因为知道了外力和桁架的几何尺寸。（m+3）个内力和支撑反力完全可以由2j个平衡方程来确定。如果给定节点数量，这便是最小的杆件数量，这意味着如果去掉任一构件或者

18、任一构件失效，整个桁架便会失效。尽管条件（a）是必要的，他并不是充分条件，桁架的稳定性还依赖于其几何形状、支撑条件和杆件的承载能力。有些桁架是由但与所必需的最小杆件数组成的。这些结构在某一杆件失效后仍可能继续工作。它们被称为超静定结构，因为其杆件内力除了取决于平衡条件之外，还依赖于杆件之间的相对刚度。 第五课 柱的屈曲理论前几节讨论了稳定平衡状态下的柱的应力和应变的分析方法。但是，不是所有的结构体系就一定是稳定的。只要有压应力的存在，许多情况下都会出现结构失稳现象。仅仅考虑材料的强度那一充分估计这类构件的性能。在有些结构体系中，稳定性则是首要考虑的问题。考虑如图T5.1所示的两段铰接的理想直柱

19、。使柱可能发生屈曲的最小力为临界荷载或者欧拉临界屈曲荷载。在一般情况下，受压构件在各个方向上的抗弯刚度并不相同，柱的主要抗弯刚度EI取决于最小的I值。在临界荷载的作用下，柱在其主轴平面内的某一侧失稳。为了确定该柱的临界荷载，让其产生如图1所示的变形。在此位置上，弯矩为Pv。在这一弯矩作用下，初始直柱的弹性曲线的微分方程可以表达如式（T5.1）。该方程与简谐运动方程式相同，因而其解为式（T5.3）其中A、B是任意常数，必须根据边界条件确定。对于图1边界条件为v（0）=0和v（L）=0。因此，B=0，且有AsinL=0.当A=0时，此方程成立。当A和B都为零时，其解为直线柱的解，通常称为平凡解。令

20、方程（T5.4）中的sine项为零，则可以得到方程的另一个解。当L等于n时，该sine项即为零，其中n是整数。因此，既然定义为根号下（P/（EI ），那么使柱可能出现的第n阶变形形状时的临界应力Pn，可以通过求解方程得到。（T5.5）就是该问题的特征值。然而，由于在稳定问题中，只有最小的Pn值才是最重要的，n必须取1。对于初始完全独立的线弹性的两端铰接柱，其临界荷载为（T5.5）。其中E为材料的弹性模量，I为等截面柱的最小惯性矩，L为其长度。通常认为两端铰接柱式其中最基本的情况。根据式5.3，在临界荷载作用下，由于B=0，则屈曲弹性曲线方程为（T5.6）。该式为这一问题的特征函数，由于=n/L

21、，n可以假定为任意整数。因此，存在无限多个这样的函数。对于线性解，屈曲模态的幅值A是不确定的。对于n=1这一最基本的情况，弹性曲线为半波正弦曲线。此形状和相应于n=2、3的模态如图2所示。对于屈曲问题，高阶模态没有物理意义，因为最小临界荷载只在n=1时发生。 值得注意的谁，在推导柱的欧拉公式时，采用的是弹性模量E;因此，该公式适用于线弹性材料。为了克服这一显著的局限性，公式5.5可以改写为另一种形式，其中A为横截面积，r为其回转半径。将这一关系带入式5.5可得式5.7。其中柱的临界应力为临界荷载Pcr作用下，面积A上的平均应力。柱的长度与其最小回转半径的比值称为长细比。可以注意到，临界应力总是

22、随着长细比的增大而减小。因为式5.7是基于弹性性能的，那么由这一公式确定的临界应力则不能超过比例极限值。第六课 结构分析的基本原理结构分析的主要目的是确定由外荷载引起的结构内力和变形，结构设计包括以适当的方法选定结构形式、确定荷载和构件尺寸以便使所组成的结构能在设计极限状态内支承各种荷载。结构模型是对真实结构的理想化。它尽可能准确反映材料、结构细部构造、荷载及边界条件的真实性能。结构通常以三维形式出现，对于不知规整的仅受对称荷载作用的矩形结构，可以将其理想化为布置在正交轴上的二维框架。如果一个结构的构件处于同一平面，就称为二维结构或者平面结构，结构的特点就是两个或者更多构件相连接的点。梁是仅受

23、到与其纵轴相交且只引起弯矩的荷载的构件。拉杆就是仅受拉力作用的构件，而柱式仅受轴向压力作用的构件。桁架是由设计成只受轴力作用的构件所组成的结构体系。如果结构体系的节点能够传递弯矩，则称为框架，并假定其构件既能承受弯矩，也能承受轴力和剪力。边界条件铰接点不传递力矩。假定它是无摩擦的，从而能使构件相互转动。滚轴支座能使与刚性表面所连接的构件相对于此表面自由转动，而且能沿着平行于此表面的任何一方向自由平动，但是不能沿着其他方向平动。固定支座不允许在任何方向上发生转动或者平动。转动弹簧能提供一些转动约束，但是不能提供任何平动约束。位移弹簧能在其变形方向上提供部分约束作用。荷载及反力量值和作用位置都不发

24、生变化的荷载称为永久荷载，也称为恒载。它们可以包括结构自重和其他一些荷载，如墙壁、楼面、屋面和永久荷载固定于结构上的管道和设备。作用方向或者量值发生变化的荷载称为可变荷载，常将它们称为活荷载或者外加荷载，可包括由施工、风、雨、地震、雪、爆炸和温度变化等引起的荷载以及那些可以移动的荷载，如家具和储藏的材料。积水荷载由积累速度大于流离速度的雨水或者积雪在屋顶上产生的。风荷载是作用于迎风面的压力或者作用于背风面的压力或者吸力。冲击荷载是由突然施加的荷载或者由移动荷载的变化引起的，通常取作为活荷载的一个分量。当受外力作用时，如果一个原来静止的结构受外力作用后仍保持静止，则称其处于静力平衡状态，外力与支

25、撑反力的合力为0。如果一个结构在一个力系的作用下处于平衡，那么它必须满足一下六个方程（T6.1）。以上方程的求和是关于x、y和z轴方向上所有的分力和弯矩进行的。如果一个结构仅受处于一个平面上的力的作用，以上方程简化为（T6.2）。在固定支、铰支座和滚轴支座上分别由三个、两个和一个未知反力。对于一个特定结构，如果其总反力分量个数等于其可以列出的方程数，则这些位置力便可以由平衡方程求出，并称此结构为静定结构；如果未知数的个数大于所能得到的方程数，结构便为超静定结构；否则，为不稳定结构。结构能支撑外界荷载的能力不但取决于反力分量的个数而且还取决于它们的排列。一个结构可能有与可列出平衡方程相等或者更多

26、的反力分量而并不稳定，此时结构称为几何不稳定。叠加原理此原理认为：如果一个结构的性能为线弹性，则其上的作用力可以被分开或者分成任意方便的形式，并按照此形式对结构进行分析，且最终结果可由将这些单个结构相加而得。此原理是用于计算像弯矩、剪力和挠度等的一些结构反应。然而，以下两种形式不适用叠加原理：1、当加载后结构的几何形状发生很大的变化，2、结构材料的应力与应变不成线性关系。第七课 建筑框架 分类 对于建筑框架的设计，定义各种框架体系有助于简化分析模型。例如，对于框架及其支撑能用单一模型分析，因而没有必要将它们分开。另一方面，对于设计不同的结构体系之间相互作用的较复杂的三维结构，简化模型是有助于初

27、步设计和计算结果的检查。这些模型应该能够体现单个子结构的性能以及他们对整个结构的影响。 刚架 刚架的横向刚度主要是通过由刚性节点相互连接的结构构件的抗弯刚度。这些节点的设计必须使其具有足够的强度和刚度，以及忽略不计的变形。变形必须足够小，以便其对结构内力和弯矩或者结构整体变形的分布无显著影响。无支撑刚架应在不依赖于额外横向支撑系统来维持稳定性前提下就可以抵抗侧向荷载。这种框架本身必须能够抵抗包括重力以及侧向力在内的一切设计荷载。同时，在受到横向风或者地震荷载时，它应该由足够的抗侧移刚度抵抗侧移。简支框架（铰接框架）铰接框架是指结构体系中的梁和柱通过铰接来连接，体系不能抵抗任何侧向荷载。整个结构

28、的整体性必须通过与其相连接的某种支撑体系来提供。横向荷载由支撑体系来承担，而重力荷载由铰接框架和支撑体系共同承担。在大多数情况下，支撑系统的横向荷载影响非常小，框架设计中可以忽略二阶效应。因此连接于支撑体系的简单框架可以被归类为无侧移刚架。多层框架设计中可以采用铰接的原因有以下几条：1、铰接框架更容易制作。对于钢结构，只连接构件腹板而不连接其翼缘更为方便。2、螺栓连接优于焊接，主要是因为焊接通常要求焊缝检测、天气保障以及表面处理。3、将结构分为抗竖向荷载和抗水平方向荷载体系后，更容易对其进行设计和分析。例如，如果所有的柱子之间的大梁都采用简支，简支梁和柱子尺寸的确定将是一种直截了当的工作。4、

29、为了有效减小水平位移，采用有支撑体系的简支框架比采用刚性连接的无支撑框架体系更为经济。实际结构连接并不总是属于铰接或者刚性连接的范畴。事实上，实践中所有的连接都是半刚性的。因此铰接和刚接只是一种理想化的处理。现代设计规范允许使用的目前风荷载弯矩设计概念中的半刚性框架设计。在风荷载弯矩设计中，假定该连接可以传递部分弯矩。支撑系统支撑系统是指可以为整个结构体系提供横向稳定的结构，其形式可能是三角形桁架、剪力墙/核心筒或者是刚接框架。在钢结构中，常用三角形桁架来表示支撑体系，这是因为与节点自然连接的混凝土结构不同，钢构件间最直接的连接方式就是将它们相互铰接。因此，普通钢结构建筑设计有支撑系统，以提供

30、抗侧移力。因此，除了如剪力墙或核心筒等刚性结构外，一般仅采用三角形桁架做支撑。建筑物抵抗侧向力的效能取决于其所采用的支撑体系的位置和类型、是否存在剪力墙、电梯井或楼梯井周围的核心筒。支撑结构与无支撑结构的比较支撑系统的主要功能是抵抗侧向力。建筑框架体系可以分为抵抗竖向荷载体系和抵抗水平荷载体系两部分。在某些情况下，竖向承载体系也有一定的抵抗水平荷载的能力。因此，有必要确定两种抗力的来源并比较其抵抗水平作用的能力。但是由于支撑体系是整体结构的一部分，这种区别并不是那么明显。为了比较二者，需要做出一些假设来定义这两种结构。高层建筑高层建筑被唯一的定义为这样一种建筑，其结构导致在设计、施工和使用中出

31、现与一般建筑不同的情况。从结构工程师的角度看，合适的高层建筑结构系统的选择必须满足两个重要条件：强度和刚度。高层建筑结构必须能足以抵抗导致其水平方向剪切变形和倾覆变形的侧向荷载和重力荷载。另一个重要的方面试在结构规划和布置时，必须考虑到关于建筑细节、建筑物服务设施、垂直运输、防火安全以及其他方面的要求。结构体系的效率是通过其抵抗更高的随着框架高度而增加的侧向荷载的能力来衡量。当在一栋建筑物的设计中反映出侧向荷载效应时，就认为它是高层建筑。高层建筑的横向位移必须加以限制，以防止结构构件和非结构构件的是损坏。在常遇的风暴期间，楼顶的加速度应维持在可以接受的限度内，以减少居住者的不舒适感。第八课 工

32、程施工这一课我的老师没讲，没有翻译。 第九课 钢筋混凝土 钢筋混凝土是在其中配置了钢筋或者纤维来提高其强度的混凝土，否则它将是脆性材料。在工业化国家中，几乎所有的建筑用的混凝土都是钢筋混凝土。历史1864年，钢筋混凝土作为建筑材料的首次应用于威廉在英国所建造的一栋房子。1885年，一家德国公司W&F成立。W与1887年出版了一本关于钢筋混凝土的书。他们在欧洲的主要竞争对手是成立1892年的FH公司。1878年，TH在美国取得了钢筋混凝土的专利。美国的第一个钢筋混凝土建筑是PCBC公司的炼油厂，它于1893年在加州阿拉梅达建成。结构用途对混凝土配筋使其具有进一步的抗拉强度，如果没有钢筋，许多建筑

33、是不可能建成的。钢筋混凝土包括多种类型的结构和构件，如板、墙、梁、柱、基础、框架等等。钢筋混凝土可分为预制混凝土和现浇混凝土。人们的注意力大都集中在对混凝土楼面系统的配筋上。设计和实施最有效的楼面系统是建造最佳建筑结构的关键。材料混凝土是水泥和骨料的混合物。当混入少量水后，水泥就产生水化反应，形成一种微观的不透明晶体结构，从而将骨料包裹并锁定在其刚硬的结构之中。典型的配合比的混凝土具有较高的抗压强度。然而，任何较大的拉力将使刚硬的微观晶格破裂。基于这个原因，一般无筋混凝土必须有充分的支撑以防拉力产生。如果将抗拉强度高的材料放置在混凝土内，那么复合材料钢筋混凝土就不仅可以抵抗压力，还可以抵抗弯矩

34、和其他的张拉作用。工业中，几乎可将混凝土抗压而钢筋抗拉的钢筋混凝土浇筑成任何形状和大小。主要特点钢筋混凝土的三个物理特性决定了它的特殊性能。首先，混凝土的热膨胀系数与钢材的相近，可以消除因为热膨胀或者收缩而产生的内部应力。其次，混凝土的水泥浆硬化时，它与钢筋外形相吻合，可以使两种不同的材料之间传递有效的应力。通常将钢筋表面制成粗糙面或制成波纹，这可进一步增强混凝土和钢筋的粘结力。第三，由碳酸钙所产生的碱性化学环境使钢筋表面形成一种钝化膜，从而使钢筋比其在中性环境中的抗锈蚀性高得多。对一般钢筋混凝土结构，所需的相对钢筋横截面积通常都相当小，其变化范围从大部分梁板的1%到一些柱的6%。钢筋通常采用

35、不同直径的横截面积。钢筋混凝土结构有时具有一些构造措施，如用于同风的中空以及控制其水分和湿度。防锈措施在潮湿和寒冷天气下，受防冻剂作用的钢筋混凝土道路和桥梁以及停车结构以及其他结构可得益于环氧涂层钢筋、热镀钢筋或不锈钢钢筋的使用。但在许多场合，良好的设计和精选的水泥拌合料就能对钢筋起到足够的保护作用。环氧树脂密封钢筋可容易地通过其浅绿色的环氧层加以识别。热镀钢筋可能是光亮的或者灰暗的，不锈钢钢筋通常有典型的白色金属光泽，从而能容易地将它与碳素钢筋加以区分。热镀钢筋、环氧树脂密封钢筋和不锈钢钢筋或光圆钢筋可以参照美国的ASTM标准的A767规范，A775规范和A955规范。渗透性密封剂通常必须在

36、养护一段时间后才能使用。密封剂包括油浸、塑料泡沫、薄膜和铝箔、毛毡或者焦油密封过的布料。有时要用膨润土密封路基。 第十课 混凝土的抗压强度混凝土硬化后的抗压强度通常由在潮湿环境下养护28天后的标准试件来确定。这是历史遗留的做法，因为许多研究人员都认为选择此特定的试验龄期其实并没有成熟的技术依据。例如，ASTNC39规定了试验试件的取样制作养护以及试验的标准方法，从而使失效应力的确定具有更好的重复性和再现性。欧洲实用规范规定将圆柱体或立方体作为标准试件。标准圆柱体的长径比为2，而立方体的高宽比为1.圆柱体两端带有柱帽以确保其表面光滑和相互平行。立方体则通过在其有模板的两侧加载满足同样的要求。尽管

37、外荷载是单轴压力，但是试验机承载板与试件见得摩擦力是试件的两端处于双轴应力状态。实际上，试件端部处于三轴应力状态。这一端部效应的影响随着接触面距离高的增大而减小。N建议距离取值为0.86d，其中d为试件的横向尺寸。因此，立方体的影响区域会发生重叠，而标准圆柱体试件则不会，其中部区域不受端部效应的影响。因此，与标准立方体相比，如果仅要根据荷载与面积的比值来计算，标准圆柱体在较低的外荷载作用下就会发生破坏，从而有报告认为其应力较低。尽管圆柱体强度更接近无约束单轴受压状态测得的强度，而立方体试验却并不需要制备端部。圆柱体柱帽材料的强度必须高于圆柱体。对于高强混凝土，此点尤为重要：常常通过打磨用他个数

38、夹具固定的时间端部来满足中端部制备要求。因此，在这种情况下，立方体试验更方便，因为测试标准试件的主要目的是检验混凝土制品的强度，选用圆柱体或者立方体均可获得满意的结果。一些研究者基于试验结果给出了标准圆柱体和标准立方体强度之间的关系。欧洲实用规范（EN206）提供了圆柱体强度从8-100MPa之间的圆柱体与立方体强度的对应关系表格。一般情况下的趋势是立方体与圆柱体强度比随着混凝土强度等级的提高而减小。混凝土的抗压强度通常是在养护28天后测定的。这一强度也是结构设计规范所采用的混凝土强度。然而，为了控制混凝土的质量，这不再能满足目前的施工速度。大体积混凝土有可能已经浇筑在刚测定过28天强度的混凝

39、土之上。如果试验结果与规定值不符合，则相关责任是不可接受的。正如现代制造业中那样，应尽快地评定产品质量以便提供调节所必须的反馈。作为设计者，即便确保令人满意的混凝土质量是前提，土木工程师仍更关心已经竣工的结构。然而，目前现场的实际情况是并不评估结构的混凝土质量，而是对在标准条件下生产、取样和养护的混凝土进行试验。标准试件与现场混凝土可能存在差异，因为后者未经充分振捣密实，而且养护时间也短。有足够的研究和实践证据表明，一般情况下，现浇混凝土的强度低于相应大的标准试件的强度。现场混凝土强度的评估可以根据从结构构件上钻取芯样并进行试验来确定。ACI委员会建议如果三个芯样的强度的平均值至少为规定值的8

40、5%，并且没有单个芯样强度低于规定值的75%时，结构混凝土强度就可以接受。BS6089 建议基于混凝土芯样的分项安全系数不应低于1.2。设计者负责确定每种情况下的适用值，并要考虑所估计强度的可靠性以及相关失效的严重性。因为英国实用规范规定标准试件为立方体，所以有必要将由圆柱芯样确定的强度转换为等效的立方体强度。式中的公式是基于转换过程中对于不同安全系数所使用的假定值。为了评估已有结构的混凝土强度，使用钻芯法常常仅限于少量取芯。除了有切断钢筋的危险之外，从关键部位取出混凝土也不尽如人意。因此，随之出现了混凝土强度的间接评估方法。大多数方法均会导致混凝土近表面区域出现一定程度的损伤。许多试验方法已

41、经成为标准试验方法，其具体细节也可以在各种试验标准中找到。 第十一课 钢结构设计标准目前，美国的钢结构设计是按照以下三种标准之一来进行的：许用应力设计（ASD），用在钢结构建筑或者桥梁的设计中已经有数十年了。结构工程师们在钢结构建筑设计中一直使用它。将使用状态下的构建荷载作用下的应力与所谓的容许应力相比较，许用应力通常被表示为屈服应力或者抗拉强度除以安全系数。由于过载的影响，材料强度不足和结构分析中近似计算的需要，引入了安全系数。许用应力通常有下面的形式：Rn:单位应力下构件名义上的抵抗力Qni：正常使用状态下，根据荷载类型计算出来的应力F.S.:安全系数m：设计中考虑到得荷载的个数塑性设计（

42、PD），利用钢铁在首次屈服之后的额外强度。受弯时，整个断面的屈服是逐渐发生的，即屈服始于距离中性轴最远的纤维，结束于距离其最近的纤维。逐步屈服的现象称为塑性变形，表示截面在首次屈服之后并不发生破坏。截面可以承载的额外弯矩超过与之相应的首次屈服弯矩，取决于截面的形状。为了量化此额外承载力，采用了一个所谓的形状系数（定义为塑性弯矩与屈服弯矩之比，即引起整个截面屈服后形成塑性铰时的弯矩与仅使距离中性轴最远的的纤维屈服时的弯矩的比值）。对于热轧工字形截面，当绕着强轴发生弯曲时，形状系数的值为1.15；当绕着弱轴发生弯曲时，形状系数的值为1.5。对于一个超静定结构，在形成塑性铰之后结构并不会失效破坏。在

43、一个截面完全屈服之后，在结构那些尚未屈服但承受不断增加的额外荷载的部分会发生内力重分配。当有足够数量的截面发生屈服，结构就会变成不稳定的，导致整个结构形成塑性破坏机制，结构就会失效。在塑性设计中，安全系数被用到应用荷载中来获得分解荷载。如果用因数化荷载计算出来的荷载效应不超过结构构件的标准塑性强度，那么设计师满足强度标准的。塑形设计的表达式如式（T11.2）所示。其中Rn表示结构的标准塑性强度值。Qni表示第i种荷载的标准荷载效应，i表示荷载种类，m表示荷载种类数。对于钢结构建筑设计，如果Qn仅由重力荷载和活荷载组成，由AISC规程给定的荷载系数为1.7，如果除这两种荷载之外还有风荷载或地震荷

44、载，则荷载系数为1.3。荷载和抗力系数设计师基于概率的极限状态设计法。将极限状态定义为一种状态，在此状态下，结构或其结构变得不安全或变得不适合其要求的功能。在极限状态设计时，结构根据其使用性的极限设计，此极限可能与强度或使用性有关。在制定LRFD方法时，将荷载效应和抗力都视为随机变量。其可变性和不定性由频率分布曲线表示。如果抗力超出荷载效应较大的量值，则根据强度准则认为设计是符合要求的。安全度概念如图T11.1所示。理论上讲，除非荷载效应Q超过抗力R，结构便会失效。此阴影面积越小，结构失效的可能性越小。在实际设计中，对结构构件的标准抗力采用抗力系数以考虑确定其强度时，任何可能的不确定性和难度。

45、对不同类型荷载采用系数以反应其量值确定时的不同程度的不定性。一般来说，对比较容易确定的荷载采用较低的系数值，而较难确定的则采用较高的系数。LEFD方法的数学表达式（T11.3）所示。式中，Rn表示设计强度，Qni表示给定的荷载组合所需要的强度或荷载效应。 第十二课 测量测量或大地测量是一种科学和技术用来精确测定点在陆地或者三位空间的位置及其他们之间的距离和角度。这些点通常在地球表面，并经常被土地所有者或者政府用来绘制地图和界线，为了实现他们的目标，测量员用几何、工程、三角学、数学、物理和法律等原理。美国测绘协会对测量的另一定义：测量时一种科学和艺术，用来进行所有主要测度以确定地球表面以上或以下

46、点的相对应位置以及地形或地物详图，并以方便的形式对其加以描述或建立这些点的位置或详图。再者，如上所及，一种称为大地测量的特殊测量就是进行详细的研究和观测，如通过观测、现场测量、问卷或对法定仪器的研究和对地界的规划、设计和确定的支持文件的数据分析来搜集信息。它涉及到以记录和历史证据文件为基础而重新建立的地籍调查和土地界线，以及由法规或地方条例所规定的详细地图的绘制，已经登记的土地测量、司法测量以及空间划定。土地测量可以包括相关的服务，如测绘和积累相关的数据、建筑布局测量、精确的长度测量、角度、高度、面积和体积以及水平和垂直控制测量，分析和利用土地测量数据。有史以来，测量就是人文环境发展的一个重要

47、元素，而且几乎是所有结构的规划和施工的必要条件。其最熟悉的现代应用领域包括运输、建筑、通信、测绘以及土地所有权的法律界限的定义。测量技术从历史上看，可以使用不同的方法测量距离，如使用一定长度链环组成的链条，如甘特测链或用不锈钢制成的卷尺。为了测量水平距离，要根据温度降这些测链或卷尺拉紧以减小其下垂。此外，必须尽量保持测量仪器水平。在测量一个斜坡时，测量人员可能要分段测量，也就是向上抬高测尺尾部，使其与上一个测段末端处的垂线垂直。历史上，水平角使用罗盘测量的，罗盘具有磁方位，从中可以测量偏角。这种仪器后来得到改善，如安装上带有精细的刻度的刻度盘以提供更好的角度分辨率，也可通过在刻度盘上方安装带有

48、十字线的更精确照准的望远镜。此外，还增设了水准仪和能测量垂向角度的校准圆盘，以及测量精度达到零点一度的游标卡尺，如标志着世纪性转折的经纬仪。测量高度的最简单的方法就是采用高度计，其本质就是气压计，它以气压作为高度指示，但是测量需要更高的精度。人们发明了各种测量手段，如采用高精度水准仪进行精密测量。校准水准仪以获得一个精确的水平面，通过这个平面可测量所考虑点与仪器之间的高差，一般通过垂直测量尺来实现。采用三角测量法时，首先要知道物体的水平距离。如果此距离未知或者不能直接测量，其确定方法有三角测量文献中有说明。然后，一个物体的高度可以通过测量已知距离的某点与物体顶部连成的直线与水平面之间的夹角来获

49、得。为了确定一个山头的高度，测量者应该从海平面开始测量，但是这里的距离可以过大，山也可能看不见。因此，应该分段测量，即首先确定一个点的位置，然后移动到这一点，并作相应的测量，并以此类推，直至到达山顶。测量设备直到上个世纪90年代，平面测量的基本工具包括确定短距离的卷尺、测定高度或高差的水准仪以及支撑在三脚架上的经纬仪。借助于这些仪器，人们便可以结合三角测量法测量角。从一个已知位置和高程开始，测量未知点的距离和角度。一种更现代化的仪器室全站仪，它是装有电子测量设备经纬仪，当设置为水平面时也可以用为水准仪。自从有了全站仪，他已经使测量完成了从光学仪器到带有电脑和软件的完全电子化设备的科技变迁。现代

50、一流的全站仪不再需要反射镜或棱镜来返回测距，它们是完全的自动遥控系统，甚至可以用电子邮件的形式将测点数据发到办公室的电脑，并能连接到卫星定位系统，如全球定位系统。虽然实时动态GPS系统已增加了测量的速度，但是只能在水平方向精确到约20mm，垂直方向精确到大约30-40mm。然而，GPS系统不能在树木覆盖或者建筑密集的地方很好的工作。全站仪以及其他类型的测量仪器仍在广泛的使用。单人式自动遥控全站仪能使测量人员取得精确的测量结果而无需额外的人员来观看和拧动望远镜或记录数据。一个更快的测量大面积的方法是用装备有激光扫描仪的一架直升飞机，并结合GPS来确定位置和高程。为了提高精度，可以在地面上设立信标

51、，此方法精度达到5-40cm。第十三课 土的基本性质和有效应力土力学是一门专门利用工程力学（如运动学、动力学、流体力学和材料力学）原理来预测土力学性能的学科。在土木工程、地球物理工程和工程地质领域，土力学与岩体力学一起形成了解决工程问题的基础。土力学的一些基本理论涉及土的分类和描述、有效应力、剪切强度、固结、侧向土压力、土的承载力、斜坡稳定和渗透性。基础、堤岸、挡土墙、土木结构和地下硐室都在某些方面用土力学进行设计。图的基本性质土通常由固相、液相和气相三相构成。土的力学性质直接依赖于这三相的彼此作用和所加势能的大小。土壤固相包括粘土晶体、非粘土矿物质、非粘土晶体、有机质和析出盐。这些矿物质由以

52、各种晶体形式组织在一起的燕子构成，其中包括氧原子、硅原子、氢原子和铝原子。这些元素与钙、钠、钾、镁、碳一起占据了99%的土固体质量。尽管非粘土含量要大于粘土和有机物含量，但是后者对土的特性影响更大。按粒径大小，颗粒可以分为粘土、粉土、砾石、卵石和漂石。土中的水通常由不同类型和数量的溶解电解质组成。存在于土中的可溶和不可溶有机物来自于化学品泄漏、废弃物泄漏和受到污染的地下水。部分饱和土的气相通常为空气，但是在生物活动较高的地区或化学污染的土中有可能是有机气体。土矿物学研究土颗粒的大小、形状和物理化学以及图的承载力和压缩性。土的结构是由颗粒组织结构（颗粒联系、颗粒的几何排列、颗粒组和土中宝贵的空隙大小）、成分和颗粒之间的相互作用共同形成的。土结构也用来解释天然土和从塑土的差异。土结构全面反映了土的成分、形成历史、目前状况和环境变化。在高孔隙率和新压缩土中初始条件控制新近沉积物的结构，从而低孔隙率的老土更多的反映了沉积后的变化。与其他工程材料一样，土体在荷载作用下会发生变形。这种变形分为剪切和压缩变形两类。通常，土不能抵抗拉力。在某些情况下，土颗粒会粘结