钢结构的性能中英版

PropertiesofStructureSteel

钢结构的性能Stellisoneofthemostwidelyusedstructuralmaterials.Theadvantagesofstructuralsteelarediscussedinthefollowingparagraphs.钢是一种最广泛使用的结构材料.下面我们就讨论下钢结构的优点.HighStrengthThehighstrengthofsteelperunitofweightmeansthatstructureweightswillbesmall.Thisfactisofgreatimportanceforlong-spanbridges,tallbuildings,andstructureshavingpoorfoundationconditions.高强度钢材每单位重量的高强度意味着结构的重量将是小的。这个事实对大跨的桥梁、高层建筑以及有着薄弱地基条件的结构具有重要意义。UniformityThepropertiesofsteeldonotchangeappreciablywithtimeasdothoseofreinforcedconcretestructure.一致性钢材的性能随时间的变化不明显，正如钢筋混凝土结构的性能也随时间变化不明显。ElasticitySteelbehavesclosertodesignassumptionsthanmostmaterialsbecauseitfollowsHooke'slawuptofairlyhighstresses.Themomentsofinertiaofasteelstructurecanbedefinitelycalculatedwhilethevalueobtainedforareinforcedconcretestructureareratherindefinite.弹性比起大多数材料，钢材的运行更接近于设计的假定，因为它直到相当高的应力仍然遵循虎克定理。一个钢结构的惯性矩可以确切地被计算，而钢筋混凝土结构得到的该值是非常得不确切。PermanenceSteelframesthatareproperlymaintainedwilllastindefinitely.Researchonsomeofthenewersteelsindicatesthatundercertainconditionsnopaintingmaintenancewhatsoeverwillberequired.持久性适当维护的钢框架将会长期地维持下去。对一些较新钢材的研究显示在某些条件下，一点也不需要涂漆的维护。DuctilityThepropertyofamaterialbywhichitcanwithstandextensivedeformationwithoutfailureunderhightensilestressesissaidtobeitsductility.Whenamildorlow-carbonstructuralsteelmemberisbeingtestedintension,aconsiderablereductionincrosssectionandalargeamountelongationwilloccuratthepointoffailurebeforetheactualfractureoccurs.Amaterialthatdoesnothavethispropertyisgenerallyunacceptableandisprobablyhardandbrittleandmightbreakifsubjectedtoasuddenshock.延性材料在高的拉应力下能承受大的变形而不破坏的性能被称为是延性。当一根低碳结构钢构件正在进行受拉测试时，在实际的断裂发生之前，在破坏点处将会发生横断面的大大缩小以及产生很大的伸长。不具有这种性能的材料通常是不被接受的，并且该材料可能是坚硬和脆性的，如果承受一个突然的冲击，可能会断裂。Instructuralmembersundernormalloads,highstressconcentrationsdevelopatvariouspoints.Theductilenatureoftheusualstructuralsteelsenablesthemtoyieldlocallyatthosepoints,thuspreventingprematurefailures.Afurtheradvantageofductilestructuresisthatwhenoverloadedtheirlargedeflectionsgivevisibleevidenceofimpendingfailure.在正常荷载下的结构构件中，在不同的点上会形成高应力集中。普通结构钢延性的特点使它们在这些点上局部地屈服，这样阻止了过早的破坏。延性结构的另一个优势是当超载时，它们的大变形显示出明显的即将破坏的迹象FractureToughnessStructuralsteelsaretoughthatis,theyhavebothstrengthandductility.Asteelmemberloadeduntilithaslargedeformationswillstillbeabletowithstandlargeforces.Thisisaveryimportantcharacteristicbecauseitmeansthatsteelmemberscanbesubjectedtolargedeformationsduringfabricationanderectionwithoutfracture一thusallowingthemtobebent,hammered,sheared,andhaveholespunchedinthemwithoutvisibledamage.Theabilityofamaterialtoabsorbenergyinlargeamountsiscalledtoughness.结构钢是坚韧的；也就是说，它们既有强度又有延性。一根钢构件加荷至大变形时将仍然能够承受大的力。这是非常重要的特性，因为这意味着钢构件在制作和安装期间能承受大的变形而不断裂—这就允许它们被弯曲、锤击、剪切以及在上面冲孔而没有明显的损害。材料吸收大量能量的能力称为韧性。MiscellaneousSeveralotherimportantadvantagesofstructuralsteelare,(a)abilitytobefastenedtogetherbyseveralsimpleconnectiondevicesincludingweldsandbolts，(b)adaptationtoprefabrication，(c)speedoferection，(d)abilitytoberolledintoawidevarietyofsizesandshapes，(e)fatiguestrength，(f)possiblereuseafterastructureisdisassembled,and(g)scrapvalue,eventhoughnotreusableinitsexistingform.其它 结构钢其它的一些重要优点是：(a)能够通过一些简单的连接方法包括焊缝和螺栓将其连接起来；(b)适合预制；(c)安装速度；(d)能够轧制成各种各样的尺寸和形状；(e)疲劳强度;(f)在结构被分解后可能的再利用；以及(g)残余价值，即使不能以其已有的形式被再利用。钢材是最终可循环的材料。Ingeneral,stellhasthefollowingdisadvantages.1通常，钢材具有下列缺点。MaintenanceCostsMoststeelsaresusceptibletocorrosionwhenfreelyexposedtoairandwaterandmustthereforebeperiodicallypainted.Theuseofweatheringsteels,insuitabledesignapplications,tendstoeliminatethiscost.大多数钢材在直接暴露于空气和水中时容易锈蚀，因此必须被定时地涂漆。在合适的设计应用中，采用风化的钢材往往能避免该费用。FireproofingCostsAlthoughstructuralmembersareincombustible,theirstrengthistremendouslyreducedattemperaturescommonlyreachedinfireswhentheothermaterialsinabuildingburn.Furthermore,steelisanexcellentheatconductorsuchatnonfireproofedsteelmembersmaytransmitenoughheatfromaburningsectionorcompartmentofabuildingtoignitematerialswithwhichtheyareincontactinadjoiningsectionsofthebuilding.Asaresultofthesefactsthesteelframeofabuildingmayhavetobeprotectedbymaterialswithcertaininsulatingcharacteristics,orthebuildingmayhavetoincludeasprinklersystemifitistomeetthebuildingcoderequirementsofthelocalityinquestion.防火费用尽管结构构件具有不燃性，但它们的强度通常在火中达到的温度时会惊人地减少，而建筑中的其它材料则会燃烧。很多火灾发生在空的建筑物中，这里着火的唯一燃料是建筑物自己。而且，钢材是一个极好的导热体，不耐火的钢构件可以将一个房屋燃烧的区域或隔间的足够的热量传送而使邻近建筑区域内与之接触的材料燃烧。根据这些现象，建筑物的钢框架可能不得不采用具有一定绝热性能的材料加以保护，或者该建筑物不得不包含一个自动喷水灭火系统，假如它符合正被讨论地区的建筑规范的要求。SusceptibilitytoBucklingThelongerandmoreslenderthecompressionmembers,thegreaterthedangerofbuckling.Aspreviouslyindicated,steelhasahighstrengthbutwhenusedforsteelcolumnsissometimesnotveryeconomicalsometimesbecauseconsiderablematerialhastobeusedmerelytostiffenthecolumnsagainstbuckling.容易屈曲受压构件越是长和细的，其屈曲的危险越大。正如前面所显示的，钢材单位重量的强度高，但是用于钢柱时有时并不经济，因为不得不采用相当多的材料仅仅是为了加强柱子以防屈曲。FatigueAnotherundesirablepropertyofsteelisthatitsstrengthmaybereducedifitissubjectedtoalargenumberofstressreversalsoreventoalargenumberofvariationsoftensilestress.(Wehavefatigueproblemsonlywhentensionisinvolved.)Thepresentpracticeistoreducetheestimatedstrengthsofsuchmembersifitisanticipatedthattheywillhavemorethanaprescribednumberofcyclesofstressvariation.疲劳钢材另一个不受欢迎的特性是如果它承受大量的反向应力或者甚至承受大量的拉应力的变化，则它的强度可能会降低。(只有包括拉力时我们才有疲劳问题。)目前的习惯是如果预测到会有超过规定数量的应力变化的循环次数，则应降低该构件的估计强度。BrittleFractureUndercertainconditionssteelmayloseitsductility,andbrittlefracturemayoccuratplacesofstressconcentration.Fatigue-typeloadingsandverylowtemperaturesaggravatethesituation.脆性断裂某些条件下，钢材可能失去它的延性，并且可能在应力集中处发生脆性断裂。疲劳型荷载和非常低的温度加重了这种情形。Structuralanalysisistheprocessofdeterminingtheforcesanddeformationsinstructuresduetospecifiedloadssothatthestructurecanbedesignedrationally,andsothatthestateofsafetyofexistingstructurescanbechecked.结构分析是确定在给定荷载下结构中产生的力和变形，以便使结构设计得合理或检查现有结构的安全状况Inthedesignofstructures,itisnecessarytostartwithaconceptleadingtoaconfigurationwhichcanthenbeanalyzed.Thisisdonesomemberscanbesizedandtheneededreinforcingdetermined,inorderto:carrythedesignloadswithoutdistressorexcessivedeformations(serviceabilityorworkingcondition);andtopreventcollapsebeforeaspecifiedoverloadhasbeenplacedonthestructure(safetyorultimatecondition).在结构设计中，必须先从结构的概念开始拟定一种结构形式，然后再进行分析。这样做能确定构件的尺寸以及所需要的钢筋，以便a)承受设计荷载而不出现损坏或过大变形(在正常使用或工作状态)；b)防止结构在荷载未达到规定的超载以前倒塌(安全性或极限状况)。Sincenormallyelasticconditionswillprevailunderworkingloads,astructuraltheorybasedontheassumptionsofelasticbehaviorisappropriatefordeterminingserviceabilityconditions.Collapseastructurewillusuallyoccuronlylongaftertheelasticrangeofthematerialshasbeenexceededatcriticalpoints,sothatanultimatestrengththeorybasedontheinelasticbehaviorofthematerialsisnecessaryforarationaldeterminationofthesafetyofastructureagainstcollapse.Nevertheless,anelastictheorycanbeusedtodetermineasafeapproximationtothestrengthofductilestructures(thelowerboundapproachofplasticity),andthisapproachiscustomarilyfollowedinreinforcedconcretepractice.由于通常在使用荷载作用下，结构处于弹性状态，因此以弹性状态假定为基础的结构理论适用于正常使用状态。通常只有当危险截面的材料远远超过弹性范围之后，才可能发生结构倒塌，因而建立在材料非弹性状态基础上的极限强度理论是合理确定结构安全性，防止倒塌所必需的。不过弹性理论可用来确定延性结构强度的安全近似值(塑性下限逼近法)，在钢筋混凝土设计中习惯采用这种方法。Forthismasononlytheelastictheoryofstructuresispursuedinthischapter.基于这种原因，在本章中仅采用结构的弹性理论。Lookedatcritically,allstructuresareassembliesofthree-dimensionalelements,theexactanalysisofwhichisaforbiddingtaskevenunderidealconditionsandimpossibletocontemplateunderconditionsofprofessionalpractice.Forthisreason,animportantpartoftheanalyst'sworkisthesimplificationoftheactualstructureandloadingconditionstoamodelwhichissusceptibletorationalanalysis.严格地讲，所有结构都是三维构件的组合体，对其进行精确分析，即使在理想状态下也是棘手的工作，而在实际工程条件下，更是难以想象。基于这种原因，分析人员工作的一个重要部分是将实际结构和荷载状态简化成一个易于合理分析的模型。Thus,astructuralframingsystemisdecomposedintoaslabandfloorbeamswhichinturnframeintogirderscarriedbycolumnswhichtransmittheloadstothefoundations.Sincetraditionalstructuralanalysishasbeenunabletocopewiththeactionoftheslab,thishasoftenbeenidealizedintoasystemofstripsactingasbeams.Also,long-handmethodshavebeenunabletocopewiththree-dimensionalframingsystems,sothattheentirestructurehasbeenmodeledbyasystemofplanarsubassemblies,tobeanalyzedoneatatime.Themodernmatrix-computermethodshaverevolutionizedstructuralanalysisbymakingitpossibletoanalyzeentiresystems,thusleadingtomorereliablepredictionsaboutthebehaviorofstructuresunderloads.这样，框架结构体系可分解成平板和楼板梁，楼板梁又通过框架传递给立柱支承的大梁，立柱再将荷载传递到基础上。由于传统的结构分析方法不能分析平板的作用，所以经常理想化成类似于梁的条形结构。同样，普通的方法不能分析三维框架体系，因此将整个结构简化为平面框架体系模型，逐一加以分析。现代的矩阵—计算机法可以分析整个体系从而革新了结构分析，这样可对荷载作用下结构的性能做出更可靠的预测Actualloadingconditionsarealsobothdifficulttodetermineandto expressrealistically,andmustbesimplifiedforpurposesofanalysis.Thus,trafficloadsonabridgestructure,whichareessentiallybothofdynamicandrandomnature,areusuallyidealizedintostaticallymovingstandardtrucks,ordistributedloads,intendedtosimulatethemostsevereloadingconditionsoccurringinpractice.实际荷载状态也是很难确定和很难客观表达的，为厂进行分析，必须进行简化。例如，桥梁结构上的交通荷载主要是动荷载且是随机的，通常理想化成静态行驶的标准卡车或分布荷载，以用来模拟实际产生的最不利的荷载状态。Similarly,continuousbeamsaresometimesreducedtosimplebeams,rigidjointstopin-joints,filler-wallsareneglected,shearwallsareconsideredasbeams;indecidinghowtomodelastructuresoastomakeitreasonablyrealisticbutatthesametimereasonablysimple,theanalystmustrememberthateachsuchidealizationwillmakethesolutionmoresuspect;.Themorerealistictheanalysis,thegreaterwillbetheconfidencewhichitinspires,andthesmallermaybethesafetyfactor(orfactorofignorance).类似的还有，连续梁有时简化为简支梁，刚性节点简化为铰接点，忽略填充墙，把剪力墙视为梁；在决定如何建立一个结构模型使之既比较客观又适度简单时，分析人员必须记住每一个理想化假设都将使求得的解更加不可靠。分析得越客观，产生的信心就越大，而所取的安全系数(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.结构分析最重要的用途是作为结构设计中的工具。按此定义，它通常是反复试算过程中的一个环节，在这种方法中，首先，在假定的横载下对假定的结构体系进行分析，然后根据分析结果设计各构件。这个阶段称为初步设计，由于此时的设计常常会变化，通常采用粗略的快速方法就足够了。在此阶段，估计结构的成本，修正荷载及构件特征，并对设计进行检查以便改进。至此，将所有的更改纳入到结构中，再进行更精细的分析，并修改构件设计。Anefficientanalystmustthusbeincommandoftherigorousmethodsofanalysis,mustbeabletoreducethesetoshortcutmethodsbyappropriateassumptions,andmustbeawareofavailabledesignandanalysisaids,aswallassimplificationspermittedbyapplicablebuildingcodes.Anup-to-dateanalystmustlikewisebeversedinthebasesofmatrixstructuralanalysisanditsuseindigitalcomputersaswellasintheuseofavailableanalysisprogramsorsoftware.因而，有能力的分析人员必须掌握严密的分析方法，必须能够通过适当的假设条件进行简化分析，必须了解可利用的标准设计和分析手段以及建筑规范中允许的简化方法。同时，现代的分析人员必须精通结构矩阵分析的基本原理及其在数字计算机中的应用并会应用现有的分析程序及有关软件。2、应力和应变在任何工程结构中独立的部件或构件将承受来自于部件的使用状况或工作的外部环境的外力作用。如果组件就处于平衡状态,由此而来的各种外力将会为零,但尽管如此,它们共同作用部件的载荷易于使部件变形同时在材料里面产生相应的内力。有很多不同负载可以应用于构件的方式。负荷根据相应时间的不同可分为：(a)静态负荷是一种在相对较短的时间内逐步达到平衡的应用载荷。持续负载是一种在很长一段时间为一个常数的载荷，例如结构的重量。这种类型的载荷以相同的方式作为一个静态负荷;然而,对一些材料与温度和压力的条件下,短时间的载荷和长时间的载荷抵抗失效的能力可能是不同的。冲击载荷是一种快速载荷(一种能量载荷)。振动通常导致一个冲击载荷，一般平衡是不能建立的直到通过自然的阻尼力的作用使振动停止的时候。(d)重复载荷是一种被应用和去除千万次的载荷。(e)疲劳载荷或交变载荷是一种大小和设计随时间不断变化的载荷。上面已经提到，作用于物体的外力与在材料里面产生的相应内力平衡。因此，如果一个杆受到一个均匀的拉伸和压缩，也就是说，一个力，均匀分布于一截面，那么产生的内力也均匀分布并且可以说杆是受到一个均匀的正常应力，应力被定义为应力==负载P/压力A，因此根据载荷的性质应力是可以压缩或拉伸的，并被度量为牛顿每平方米或它的倍数。如果一个杆受到轴向载荷，即是应力，那么杆的长度会改变。如果杆的初始长度L和改变量AL已知，产生的应力定义如下:应力==改变长AL/初始长L因此应力是一个测量材料变形和无量纲的物理量，即它没有单位;它只是两个相同单位的物理量的比值。一般来说，在实践中，在荷载作用下材料的延伸是非常小的，测量的应力以*10-6的形式是方便的，即微应变，使用的符号也相应成为ue。从某种意义上说，拉伸应力与应变被认为是正的。压缩应力与应变被认为是负的。因此负应力使长度减小。当负载移除时，如果材料回复到初始的，无负载时的尺寸时，我们就说它是具有弹性的。一特定形式的适用于大范围的工程材料至少工程材料受载荷的大部分的弹性，产生正比于负载的变形。由于载荷正比于载荷所产生的压力并且变形正比于应变，这也说明，当材料是弹性的时候，应力与应变成正比。因此胡克定律陈述，应力正比于应变。这定律服从于大部分铁合金在特定的范围内，甚至以其合理的准确性可以假定适用于其他工程材料比如混凝土，木材，非铁合金。当一个材料是弹性的时候，当载荷消除之后，任何负载所产生的变形可以完全恢复，没有永久的变形。材料的弹性范围即是适用于胡克定律的范围，已经表明，应力/应变==常数常数被赋予符号E,被称为弹性模量或杨氏模量。因此E=应力/应变