土木工程專業(yè)英語翻譯

1、Lesson 1Definition （定義） 受壓構件是僅受軸向壓力作用的構件，即：荷載是沿縱軸加在其截面形心上的，其應力可表示為，式中，假定fa在整個截面上均勻分布。 然而，現(xiàn)實中從來都不可能達到這種理想狀態(tài)，因為荷載的一些偏心是不可避免的。 這將導致彎曲，但通常認為它是次要的，如果理論工況是足夠近似的，就可將其忽略。但這并非總是可行的，如有計算出的彎矩存在時，這種情形將在梁柱理論中加以考慮。 在建筑物和橋梁中最常見的受壓構件就是柱，其主要功能就是支承豎向荷載。在許多情況下，它們也需要抵抗彎曲，在此情況下，將它們稱為梁柱。受壓構件也存在于桁架和支撐系統(tǒng)中。Column Theory （柱理

2、論） 考慮如圖1.1.a所示的長柱，如果慢慢增加軸向荷載P，它最終將達到一個足夠大的值使該柱變得不穩(wěn)定(失穩(wěn))，如圖中虛線所示。 這時認為構件已經(jīng)屈曲，相應的荷載稱為臨界屈曲荷載。 如果該構件更粗短些，如圖1.1b所示，則需要更大的荷載才能使其屈曲。 對特別粗短的構件，破壞可能是由受壓屈服引起而非由屈曲引起。 對這些短柱以及更細長的柱，在其屈曲前，在其長度方向上任意點處橫截面上的壓應力P/A都是均勻的。我們將會看到，屈曲發(fā)生時的荷載是長細程度的函數(shù)，非常細長的構件的屈曲荷載將會很低。 如果構件如此細長（隨后將會給出細長程度的精確定義）以致即將屈曲時的應力低于比例極限即，構件仍是彈性的，臨界屈曲

3、荷載如下式給出： (1.1)式中E為材料彈性模量，I為關于截面副主軸的慣性矩，L 為支座間的距離。 要使方程1.1成立，構件必須是彈性的，且其兩端必須能自由轉動，但不能側向移動。此著名公式是瑞士數(shù)學家歐拉于1975年提出的。 因此有時將臨界荷載稱為歐拉荷載或歐拉臨界荷載。歐拉公式的有效性（正確性）已由許多試驗充分證實。方程1.1可方便地寫為 (1.1a) 式中A 為截面面積，r為關于屈曲軸的回轉半徑，L/r為長細比，它是對受壓構件細長程度的一種度量，該值越大，構件越細長。 如果將屈曲荷載除以截面面積，便可得到以下屈曲應力：(1.2)這便是繞相應于r的軸發(fā)生屈曲時的壓應力。. 由于一旦荷載達到式

4、1.1之值，柱將在與最大長細比對應的主軸方向變得不穩(wěn)定（失穩(wěn)），通常該軸是慣性矩較小的軸。 因此，應在方程1.1和1.2中采用截面的最小慣性矩和最小回轉半徑。 早期的研究者很快發(fā)現(xiàn)對短柱或不太細長的受壓構件，歐拉公式并不能給出可靠的結果，這是因為這種構件的長細比較小，從而產(chǎn)生較高的屈曲應力。 如果屈曲發(fā)生時的應力大于材料的比例極限，應力應變關系就不再是線性的，也不能再用彈性模量E。這一困難最初由Friedrich Engesser 所克服，他在1889年將可變的切線模量用于方程1.1. 對于如圖1.2所示的應力應變曲線(的材料)，當應力超過比例極限時，E并非常數(shù)，當應力處于Fpl和Fy之間時，

5、將切線模量定義為應力應變曲線的切線的斜率， 如果屈曲時的壓應力在此范圍時，可以證明(1.3)除公式中將E代之以Et外，上式與歐拉公式完全相同。Effective Length（計算長度） 歐拉和切線模量方程都是基于如下假定：1. 柱完全豎直，無初始彎曲。2. 荷載是軸向加載，無偏心。3. 柱在兩端鉸結。 前兩(假定)條件意味著在屈曲前無彎矩存在。A 如前所述，可能偶然會存在一些彎矩，但在大多數(shù)情況下都可被忽略。 然而，鉸結要求是一個嚴重的局限，必須對其它支撐條件作出規(guī)定。 鉸結條件要求約束構件兩端不發(fā)生側移，但并不約束轉動。 由于實際上不可能構造無摩擦鉸連接，即使這種支撐條件最多也只能是非常近

6、似。顯然，所有柱必須在軸向自由變形。 為了考慮其它邊界條件，將臨界荷載寫為如下形式 or (1.4)式中KL為計算長度，K稱為計算長度系數(shù)，各種情況下的K值可借助于AISC（美國鋼結構學會規(guī)范的條文說明加以確定。Lesson 2 Introduction to Structural design 建筑結構設計，不論是鋼結構還是鋼筋混凝土結構，都需要確定其支承結構的整體比例和尺寸以及各構件的截面尺寸。在大多數(shù)情況下，功能設計，包括樓層層數(shù)和樓層平面的確定，將要由建筑師來完成，因而結構工程師必須在此約束條件下工作。 在理想狀態(tài)下，工程師和建筑師將在整個設計過程中協(xié)同工作從而高效地完成設計工作。 然

7、而，事實上，設計過程可概括如下：建筑師確定建筑物的外觀，工程師必須確保其不會倒塌。 盡管這樣說過分簡單，但它明確了工程師的第一個主要任務，即，確保安全。其它要考慮的因素包括適用性（就外觀和撓曲而言其工作性能如何）。經(jīng)濟的結構要求對材料和人工的有效使用，盡管這通常都能通過要求最少材料來取得，但通過采用稍多的材料，但能使建筑物更簡單和更容易建造常常會實現(xiàn)節(jié)約的目的。Loads作用在結構物上的各種力稱為荷載，它們屬于一兩種廣義類型，恒載和活載。 恒載是那些永久荷載，包括結構自身的重量，有時也稱為自重。其它建筑物恒載包括非結構構件的重量，如樓面面層、帶有燈具的吊頂以及隔墻。 至此所提的各種荷載都是由重

8、力所引起，因而稱為重力荷載?；钶d也可以是重力荷載，它們是那些不如恒載那樣永久的荷載。這類荷載可能也可能不總是作用在結構物上，且作用位置也可能不是固定的?；詈奢d包括家具、設置和建筑物的居住者。 通常，活荷載的大小不如恒載那樣確定，常常必須估計。在許多情況下，必須研究活荷載作用在一給定的結構構件的各個位置以便不會漏掉每個可能的破壞情形。Building codes建筑物必須根據(jù)各種建筑規(guī)范的條款設計和建造，規(guī)范是一種法律文件，包含各種要求，如建筑安全、防火安全、上下水、通風和體殘人的可達性等。建筑規(guī)范具有法律效力，由政府部位發(fā)布，如城市、縣、對于大的城區(qū)，如聯(lián)合政府。 建筑規(guī)范并不給出設計規(guī)定，但

9、卻規(guī)定設計必須滿足的各種要求和約束條款。對結構工程師特別重要的是建筑物的最小活荷載規(guī)定。 盡管鼓勵工程師研究實際荷載工況以確定真實的荷載值，結構必須能支承這些規(guī)定的最小荷載。Design specifications 與建筑規(guī)范不同，設計規(guī)程給出結構構件及其連接的更具體的指南。 它們給出各種方針和標準，使結構工程師能建筑規(guī)范所規(guī)定的目標。根據(jù)其最新研究，設計規(guī)程結出認為是好的工程作法。它們通過補充或通過發(fā)布新版本得到定期修訂和更新。如同一般建筑規(guī)范，設計規(guī)程由非贏利組織編寫。盡管它們本身并無法律地位，但卻以法令和禁令的形式給出設計準則和限制，以參考文獻的形式，它們可容易地被錄入，并作為建筑規(guī)范

10、的一部分。Lesson 3Text Particle Size Analysis 粒徑分析在各種土中所遇到的粒徑范圍很大，大到200mm小到小于0.001mm的一些粘土膠粒。 盡管天然土都是由各種粒徑的顆粒組成，但通?？砂l(fā)現(xiàn)其主要組成顆粒出現(xiàn)在一個比較小的粒徑范圍內。當這一粒徑范圍非常小時，稱這種土級配較差，而當其較大時，稱這種土級配良好。土的許多工程特性，如滲透性、霜凍敏感性、可壓縮性等都直接或間接的與土的級配特性有關。圖3.1為粒徑百分數(shù)的英國標準范圍。通過確定落入由這些粒徑分組和子組所代表的粒徑范圍的重量百分比，對土進行粒徑分析。對于粗粒土，它里面的細粒土被除去或本身就無細顆粒，常用的方

11、法就是篩分法。此法是將要分析土的一代表樣本系統(tǒng)地分為方便的子樣本，然后烘干。 再使烘干的土樣通過一組篩孔尺寸由大至小放置的標準試驗篩。稱量每個篩中剩下的土樣的重量，并計算出通過每個篩的累計百分數(shù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以半對數(shù)曲線的形式描出該土的粒徑分布圖，即所謂的級配曲線。細粒粗粒非常粗大顆粒粘土膠粒粉土砂礫石石塊細中粗細中粗細中粗卵石塊石 在土樣中含有細土粒的場合，首先用濕篩分法將其除去，并確定粘粒/粉粒總共所占的分數(shù)。 將一適量的分土樣烘干，并過篩分開最粗的顆粒（>20mm的顆粒） 然后將土樣浸入含有分散劑的水中，并在將其用63微米篩過篩前擱置起來（并將其擱置一會，再用63micron的篩

12、子過篩）。將篩中保留的部分烘干，并用一組篩子過篩。稱量落在每個篩中土重，并計算出通過每個的累計百分數(shù)后，就可描出級配曲線。由重量差確定粘粒/粉粒的總重，并將其表示為子土樣總重的百分數(shù)。最粗的部分（即粒徑>20mm的部分）也可被過篩，并用其結果完成級配曲線的繪制。不能用篩分法對細粒部分的粒徑分布作進一步分組。通常必須用沉降法實現(xiàn)此目的。首先將一小子土樣用分散劑進行處理，然后洗過63的篩子。再從中取出500ml的土/水懸浮液，充分攪拌一會后讓其沉降。此方法是基于斯托克思定律，即在重力作用下球形顆粒在某一懸浮液中下降的速度為顆粒直徑顆粒重度 懸浮液的重度（通過為水的重度）（懸浮液的黏度）將式3

13、.1變形得在給定時間t內，沉降一給定距離的那些顆粒的直徑為Usually h=100mm, 通常h=100mm, giving 由此給出 因此在，在深度100mm處，t 時間后所取的懸浮液中將不會有粒徑大于式3.2所給出的土粒; 但懸浮液中小于d的顆粒所占的比例仍保持不變。用液體比重計的方法包括以一系列時間間隔在深度100mm處測定懸浮液的比重。通過比重讀數(shù)得到小于某一特定粒徑的顆粒的百分數(shù)，從而可畫出細粒部分的級配曲線。Grading Characteristics級配曲線是粒徑分布的一種圖形表達，因而可用來作為描述土的手段。 因此，人們總是認為在實驗室報告或其它報告里附上幾份級配曲線是一種

14、好做法。還應牢記的是我們的主要目的是提供對土的類型的描述性術語。 這可容易地通過采用這種級配曲線做到，因為用它能估計出土中最有代表性的成分的粒徑范圍。 例如，陡峭的曲線可用來表示級配差的中砂，并表示其粒徑范圍比較小。通過采用某些稱為級配特征的幾何值，可進一步對級配曲線進行定量的分析。 首先，定出級配曲線上的三個點以給出以下特征粒徑：只有10%土樣通過的最大粒徑；只有30%土樣通過的最大粒徑；只有60%土樣通過的最大粒徑；根據(jù)這些特征粒徑，定義出如下級配特征：有效粒徑均勻系數(shù)級配系數(shù)Lesson 4 Text Volume Changes of Concrete混凝土在硬結過程中會經(jīng)歷體積變化。

15、如果蒸發(fā)失去水分，混凝土會收縮；但如果在水中硬結，它便膨脹?；炷馏w積變化的原因可歸結為含水量的變化、水泥與水的水化反應、溫度變化和所施加的荷載。Shrinkage混凝土干燥時的體積變化量不等于它所失去的水的體積。自由水的蒸發(fā)基本不產(chǎn)生收縮。 隨著混凝土的不斷變干，水分蒸發(fā)，受約束水泥漿的體積也變化，導致了混凝土的收縮，這多半是由于殘留在混凝土中的水的毛細張力所致。 毛細管變空導致無收縮的水分丟失，但一旦失去吸收的水分，收縮便發(fā)生。許多因素都會影響因水分環(huán)境發(fā)生變化而產(chǎn)生的混凝土收縮。1、水灰比：水灰比越大，收縮越大；2. 水泥的成分和細度：早強和低熱水泥的收縮大于普通水泥，水泥越細，其在潮濕

16、環(huán)境中的膨脹越大。3.骨料的類型、含量及其級配：骨料的粒徑越小，收縮越大；骨料含量越大，收縮則越小。4.外部條件，水分與溫度：潮濕環(huán)境下的混凝土試件的膨脹量為200 to 300×10-6，但如果讓其在空氣中干燥，它們將收縮。高溫加速了水分的蒸發(fā)，因此也加快了收縮。5. 添加劑： 使用水量增加的外加劑也增加了收縮值。6.試件的尺寸和形狀：當收縮在鋼筋混凝土構件中發(fā)生時，混凝土中產(chǎn)生拉應力，同樣大小的壓力產(chǎn)生于鋼筋中，這些力與荷載引起的力相迭加。因此，當鋼筋的配筋率高時，可能會使混凝土開裂。鋼筋的合理分布、會使混凝土中的拉應力分布更有利，可減小內部應力差。 普通混凝土的收縮應變終值在2

17、00 and 700×10-6之間。 對常重混凝土，收縮應變終值可取為300×10-6 ， 英國CP100規(guī)范不出的收縮應變終值為500×10-6， 這表示3m長素混凝土薄截面構件的非約束收縮為1.5mm. 如果此構件受到約束，便產(chǎn)生了大約10N/mm2 (1400 psi) 的拉應力。 如果凝結后將混凝土保持在潮濕環(huán)境中，可減小其收縮。. 因此，將混凝土至少在潮濕環(huán)境中養(yǎng)護7天非常重要。將混凝土置于風中將增加其在迎風一側的收縮速率。 收縮引起結構構件的撓度增大，而撓度也隨時間而增長?；炷两孛娴膶ΨQ配筋可防止因收縮而產(chǎn)生的曲率和撓度。通常，在硬結初期，混凝土收縮

18、較快，但在后期，收縮速度會慢慢變小。 可以說15% to 30%收縮量的發(fā)生在前兩周，40% to 80%發(fā)生在前一個月，70% to 85%發(fā)生在第一年。Expansion Due to Rise in Temperature 升溫膨脹混凝土受溫膨脹，變冷時收縮。 一般混凝土的平均收縮值為每華氏度5.5×10-6（或每攝氏度12×10-6）。英國標準規(guī)范的建議值為每攝氏10-5 、這一值表示如果30m長的構件溫度變化33度，其長度變化為10mm. 如果該構件受到約束但并未配筋，由此產(chǎn)生的應力可能約為7N/mm2 (1000 psi)。在較長的鋼筋混凝土結構中，每隔100英

19、尺到200英尺（30m至30m）必須留伸縮縫。 伸縮縫寬度約為1英寸（25mm）混凝土并非好的熱導體，但鋼材卻是。因此混凝土的承載能力并不太受溫度的影響。Greep徐變混凝土是一種彈塑性材料，即使受低應力作用，它就產(chǎn)生伴有彈性應變的塑性應變。在持續(xù)荷載作用下，在很長時間內其塑性變形連續(xù)增長，甚至可達數(shù)年。 此變形在加載后的前4個月最快。這種在持續(xù)應力作用下的緩慢變形稱為徐變。圖2.5表示受荷載作用的一混凝土圓柱體。其瞬時變形為1，它等于應力除以彈性模量。如果將此應力保持一段時間，便可測出另一由徐變所產(chǎn)生的應變增量2，如果卸去荷載，彈性應變便得到恢復，同時還產(chǎn)生一些徐變應變。 最終會剩下永久塑性

20、應變3，如圖2.5所示。 在此情況下，3=(1)2, 是恢復徐變應變與總徐變的比值。 其值在0.1至0.2之間。徐變后效的大小隨先前徐變的大小而變化，且在很大程度上取決于荷載的持續(xù)時間。如果持荷時間增加，徐變恢復率將變小，這大概是由于混凝土在變形硬化所致。Figure 2.5 Deformation in a loaded concrete cylinder: (a) specimen unloaded, (b) elastic deformation,(c) elastic plus creep deformation, (d) permanent deformation after rel

21、ease of load.徐變在強度更高的骨料周圍的硬結的水泥基中產(chǎn)生，這可能是由于沿晶格中一些平面發(fā)生滑移、晶格變化所產(chǎn)生的內部應力、及混凝土凝膠體中水分不斷丟失的結果。影響徐變的各種不同因素可概括如下：1. 應力大?。?. 持荷時間：3. 混凝土強度和齡期：4. 周圍環(huán)境條件：5.加載速率：6.鋼筋混凝土結構中鋼筋的配筋率及其分布：7.混凝土尺寸：8.水泥的類型、細度和含量：9.水灰比：10.骨料的類型和級配：11.養(yǎng)護方式：徐變不僅產(chǎn)生于受壓，它也產(chǎn)生于受拉，受彎和受扭。受拉徐變的速率與受壓徐變的速率之比在前兩周將大于1，但會在長時間內減小。許多研究者都對混凝土的受壓徐變進行了試驗研究。

22、對28天齡期加載的普通混凝土，=單位應力下單位時間內的徐變。隨時間的增加，徐變會大大增加鋼筋混凝土梁的撓度。過大的變形會影響結構的穩(wěn)定性。持續(xù)加載會影響混凝土的強度和變形。 當混凝土在持續(xù)集中荷載作用下長達一年時，其鋼筋混凝土的強度可能要降低30%.混凝土的疲勞強度大大低于其靜力強度。受壓的重復加載和卸載會導致混凝土塑性變形的逐漸積累。如果混凝土不斷受壓加載2百萬次，其疲勞強度容許值會降為其靜態(tài)抗壓強度的50%至60%. 在梁中，混凝土的疲勞強度約為其靜態(tài)強度的55%.Lesson 5 LoadsText Loads(1)Introduction 除特殊情況設計規(guī)程外（如起重機設計規(guī)程），一般

23、設計規(guī)程并不規(guī)定荷載的大小，盡管它是作為結構分析所輸入的基本變量。設計規(guī)程的作用就是對于給定的荷載值及其效應，詳細說明用設計材料能得到滿意構件及其連接尺寸的方法和準則。因此，規(guī)程反映了結構必須滿足的各種要求，從而使其具有這樣一種結構反應，它能使其達到所要求的性能。另一方面，荷載取決于建筑物的使用類型，這反過來取決于相應的地區(qū)，地方和國家法規(guī)，即常說的建筑規(guī)范。建筑規(guī)范的荷載傳統(tǒng)上都是作為標準值給出，它們是根據(jù)材料特性確定（如恒載）或荷載調查所確定（如活荷載及雪荷載）為了適當?shù)卮_保作用在任一結構上的荷載不超過規(guī)范值，后者往往都要比任一時刻作用任一結構上的荷載值大些。事實上，這可能就是過大的重力荷

24、載大都不會導致結構破壞的原因所在。盡管可能如此，實際上結構上的各種荷載都具有隨時間而變化的隨機變化特性，且這種變化也取決于荷載類型。不是去處理看上去具有定值特征的標準荷載，現(xiàn)實的設計方法應同時考慮荷載和強度的變異性，以便以合理的手段得到足夠的結構安全度。由于荷載的隨機變化是時間以及許多因素的函數(shù)，嚴格地講，通過采用隨機分析方法以反映時間與空間的相互影響，應使建模對此加以考慮。許多研究工作都涉及了這一高度復雜的現(xiàn)象，特別是當其屬于活荷載時。然而，實踐中采用時間相關荷載至少半是麻煩的，盡管在一些情況下必須考慮其相關性（即在有地震作用時）。對于大多數(shù)設計，規(guī)范將規(guī)定荷載的大小，就象它們是靜載似的。通

25、過采用出現(xiàn)在某一參照期（重現(xiàn)周期）內的最大荷載及其統(tǒng)計特性，將它們的時間和空間的變異加以考慮.。例如，美國活荷載準則基于50年重現(xiàn)周期，而加拿大準則是30年。結構的地理位置對某些荷載起很重要的作用。特別是對于雪、風和地震作用更是如此。第一種荷載對美國中北部和東北部地區(qū)非常重要，第二種對具有大風的沿海地區(qū)和山嶺地區(qū)特別重要，第三種對具有地震斷裂帶的地區(qū)則特別重要。由于數(shù)個現(xiàn)象使風作用效果的設計復雜化。類似于雪荷載和地震作用，在本國的一些地區(qū)，對風荷載更加重視。同時，風載不但非靜態(tài)，而且也非均勻變化，同時還受結構幾何形式和周圍結構物及地形的影響。 在一定程度上，這也適用于雪荷載.。建筑規(guī)范將這些作

26、用作為靜力荷載并用半經(jīng)驗公式將其與實際情況相聯(lián)系。這使設計者能更好地處理復雜問題，但當實際結構與設計規(guī)范出入太大時，便導致了一些困難。為此，風荷載、有時地震荷載和雪荷載都要用模型試驗來確定。 特別是風洞試驗，它已經(jīng)成為這些努力中一個有用且實用工具。 除恒載外，通常都假定結構上的荷載與結構類型及其材料無關。然而，一建筑物的反應將隨其建材的不同而不同，這取決于荷載的類型。 例如，在側向荷載作用下，特別是當其由地震所引起時，抗彎鋼框架的工作性能將全然不同于有支撐框架的性能。 另一方面，這兩種框架對重力荷載反應的差別卻并沒有那么大。一個結構物的大?。ㄈ缙涓叨?，樓層面積）對大多數(shù)荷載的量值影響很大。例如

27、，所有的荷載都受多層建筑高度增加的影響。與這類似，單個構件所支承的樓層面積越大，整個樓層上滿載規(guī)范規(guī)定的活荷載的可能性將越小。在此情況下，將采用活荷載折減法以得到更真實的設計值。Lesson 6TextConcepts of Structural Analysis能用各種方法對結構進行分類。不認真的觀察者首先考慮的是根據(jù)其相應功能進行分類，如建筑物、橋梁、飛機、塔樓等等。事實上這種結構分類的根據(jù)是基本的。所有結構物都因其某些功能而存在。正是由于要使它們完成某些功能要求才促使設計者終生致力于結構設計。此外，也正是對某一功能的安全的、適用的、可行的、和美學上滿意的實現(xiàn)決定了一個結構的形式、所用材料

28、和加載方式。一旦結構的形狀和建筑材料確定之后，可將結構再按其形式分類（如拱、桁架或懸掛結構）或按其所用材料分類（如鋼結構、混凝土結構或木結構）。結構的形式和建材反過來決定了結構的性能，其性能進而又分析模型的特點。圖6.1形象地說明了結構的功能、形式、建筑材料、荷載、結構性能、分析模型儲因素之間的關系。至此，我們有必要來討論一下圖6.1所示結構性能的一些方面，并我解釋一下它們各自與結構的形式和建筑材料的關系。如果一結構對其加載的響應，譬如某點的位移與所施加的荷載大小成正比，則此結構就是線性的。 如果此比例不存在，則該結構就是非線性的。結構非線笥分為兩類(1) 材料非線性，此時材料的應力與應變不呈

29、比例；2）幾何非線性，此時在荷載作用下其形狀與未加載前發(fā)生了很大變化。(例如結構中索的存在往往會引起幾何非線性，因為索的下垂會產(chǎn)生位移，可以證明，這種位移與索中的內力并不成線性關系) 因此，結構所采用的建筑材料可能被分類為彈性、塑性或粘彈性。當卸除荷載后，彈性材料能回彈以其初始外形，但塑性材料會有一永久變形粘彈性材料的變形與時間有關，因而與加載歷史有關，但彈性和塑性材料的變形卻與時間無關。一個結構體系是非保守的或保守的，取決于經(jīng)過一次加載和卸載該體系中有無能量損失。如果卸載后體系并未回到其初始形狀，通常都有能量損失，這是要么是由材料非線性引起，要么是由結構內部或其構件之間存在摩擦力。結構的所有

30、這些性能都將對研究結構時的分析方法起到很大的影響。而且，在建立分析模型時，必須考慮結構材料是否均質、是否各向同性，還是正交各向異性。均質材料的物理性能在各點都相同的，但非均質材料并非如此。 各向同性材料的物理性能在各個方向都是相同的但各向異性材料卻并非如此。正交各向異性材料是一種特殊的各向異性材料，它在其三個主軸方向的特性不同，但在所有其它方向上的特性則取決于其三個主軸方向的特性。)結構的其它方面，盡管也是設計中要考慮的主要因素，通常將對分析方法影響不大。這些因素包括脆性、延性、可燃性、質地、顏色、硬度和可加工性。最后討論一下加載特點，它取決于結構的功能，也會影響結構的分析。結構上真正的靜力荷

31、載是恒載，即重力荷載。然而，如果其它荷載施加的足夠緩慢，就將其稱為偽靜力加載，從而分析時可認為是靜力的。加載是否足夠緩慢取決于加載持續(xù)時間是否大于所分析結構的基本周期。通常只有當荷載是周期性的或當共是突然施加的，才將其作為動力荷載處理。即使在此情況下，有時在分析中采用一個所謂的“動力系數(shù)”來考慮突然施加荷載的效應，分析結果仍以靜態(tài)加載形式結出。荷載還可分為外力或內部初始變形。熱負荷就是內部初始變形（如初始應變）加載的典型例子。不幸的是，通常對結構性能的描述并不象上述如此清楚。也就是說，材料并不是“線性”或“非線性”；也不是“彈性”或“塑性”，其性能取決于環(huán)境因素，如外界情況和加載速率。由于分析

32、中所必須考慮的結構性能類型可能取決于要研究的結構響應的類型，這就使這種描述變得更加含糊不清。 例如，比較簡單的分析模型可能足以得到靜態(tài)的位移和應力結果，但需要更復雜的模型以得到振動或曲屈分析結果。為了闡明這一問題以講解清楚結構矩陣分析方法，我們將對結構特性作一些簡化假定。 因此，我們將討論線彈性保守結構因靜力加載所引起的位移和應力。我們將進一步將注意力集中到離散桿系結構（剛結和鉸結框架結構）而非連續(xù)結構。然而，重要的是要在開始就認識到我們將要介紹的概念可推廣到許多其它結構問題，其中包括動力響應、材料及幾何非純屬、非彈性、失穩(wěn)和連續(xù)結構體系。而且，同樣的概念也可應用于其它工程領域的問題，如土工學

33、、水力學、熱傳導以及甚至是工程領域之外的問題。最后，為了節(jié)省時間和篇幅，我們研究的大多數(shù)問題將涉及平面內受平面力作用的平面結構。這一方法將保持足夠的普遍性，從而使所得到的分析方法能容易地推廣到三維空間問題。Lesson 7Text Soil Compressibility and SettlementTypes of Ground Movement and Causes of Settlement地面運動和相關結構穩(wěn)定性之間的關系比較復雜。首先，導致地面運動的機理有多種，而且，結構形式也多種多樣，每一種抵抗地面運動的能力也不同。一些建筑物，如磚石結構，脆性很大，即使在很小的基礎位移發(fā)生時就可能

34、導致其開裂，甚至結構破壞。其它結構形式可經(jīng)受很大的地面運動而不發(fā)生真正破壞。Compaction夯實是強迫土粒以更密集的形式堆積，從而導致其體積減小和空氣被排出的過程， 夯實需要輸入機械能，這通常是自重加載或地面附加荷載的結果。而且我們知道，由交通車輛引、重型機械和某些施工工作，如打樁等產(chǎn)生的振動也是夯實沉降的原因。在地震區(qū)，地震波也可能具有類似的功效。最易受振動作用的土包括松砂土、松礫砂土和填土，特別是未經(jīng)充分碾實和夯實時。Consolidation在飽和粘性土中，增加荷載的效果就是將一些空隙水從土中擠出去，這一過程稱為固結。其體積逐漸減小直到空隙水壓力達到平衡為止；如果土仍能處于飽和狀態(tài)，

35、減載可引起土的膨脹。本章剩余的大量篇幅將詳細研究土的固結過程及其由此引的起沉降的計算方法。極為重要的就是要明白必須有荷載的變化來產(chǎn)生此過程，且最終沉降可能需要數(shù)年才能完成。Elastic Volumetric Settlement彈性體積沉降在超固結土中，有效土壓力的增加將導致土的彈性（大約為彈性）的壓縮，如果土壓力未超過其屈服點。而當其壓力增至超過其屈服點后，非線性（即固結）沉降便發(fā)生。 因此，對嚴重超固結粘土，由于其屈服點很高，其沉降計算可根據(jù)彈性理論進行，并用其有效應力所對應的諸參數(shù)。也可根據(jù)其膨脹再壓縮曲線的斜率估計其沉降。粘土的彈性可能是來自其薄的片狀顆粒的彎曲。Immediate

36、or Undrained Settlement瞬時（或不排水）沉降瞬時（或不排水）沉降是加載過程中的沉降，此時土還未發(fā)生大的體積變化。 盡管理論上講，在各種加載過程中都發(fā)生此類沉降，但它被伴有體積變化的固結沉降所掩蓋。因此，瞬時沉降量的計算通常與快速加載有關，例如，建筑物下面的沉降。可將某一給定深度處土的不排水剛度假定為彈性常數(shù)，從而用彈性理論估計其沉降量。Moisture Movement水分移動 當一些粘土的含水量增加或減小時，會伴隨著明顯的體積增大或減小。具有此特性的粘土也稱之為可收縮土或膨脹土，它們常出現(xiàn)在南部和東部的一些地區(qū)。Effects of Vegetation植被的影響使高塑

37、性土沉降的另一因素就是樹木根的作用。一些樹根系的徑向沿伸要大于其高度，它們也可能有幾米深。在相距一排白楊樹25m的房屋的基礎上曾觀測到100mm的位移。將這些樹移走意味著土中的含水量將增加，從而土將發(fā)生膨脹。 在要移走大量樹木的場地上建造房屋時，要等一兩個冬季過后，土中水分達到平衡后再動工。Effects of Groundwater Lowering地下水位下降的效應當從開挖的基坑中將水抽出時，其周圍地下水位將會下降。 由于以下兩種過程，這種含水量的減小會導致沉降。其一，如上所述，在一些粘土中，含水量的減小將導致體積減小，從而使下降后的地下水位以上的土收縮；其二，空隙靜水壓力的減小導致下層土

38、的有效覆蓋土壓應力的增加，從而可能使下降后的水位以上的土（特別是粘土或泥炭土）發(fā)生固結。Effects of Temperature Changes 溫度變化的效應當煉鋼爐、磚窯、烤爐和鍋爐房基礎下的粘土變干時，土可出現(xiàn)嚴重的收縮。例如，在不到兩年內，一個建造在倫敦粘土的鍋爐房中心沉降了150mm，周邊沉降了75mm. 因此，通過在此類熱源和基土之間設置一敞開的或碎石填充的通氣層。Effects of Seepage and Scouring 滲透和沖刷效應 在某些砂土中，如細干砂土或黃土中，水的流動能移走一些細小顆粒。沖刷是土被地表水或水流帶走的過程，但這在下水管或供水主管道破裂的地方也可能

39、發(fā)生。在大大低于地下水位的圍堰和類似結構中進行開挖作業(yè)時，水的向上運動可能會導致一種稱為管涌的不穩(wěn)定。在干燥地區(qū)，此類土可能會因風作用而產(chǎn)生表面侵蝕。Loss of Lateral Support 失去橫向支撐一種常見的、通常會導致嚴重的、甚至是災難性的建筑物破壞的基礎運動， 都是由基礎周圍開挖深孔所致。有在建筑物周圍進行開挖造成建筑物破壞的許多實例。 基底土的承載力與其周圍土所提供的側向支撐有關，從而在計算土的極限承載力時是計入這一影響的。 如果移去這一支撐，如在無支撐開挖時所出現(xiàn)在那樣，可能出現(xiàn)的問題就是基礎下土發(fā)生剪切滑移，從而將基礎帶入開挖的坑中。 與之類似，由于土的滑動或流動所引起的

40、自然坡或切坡的運動也可能導致基礎沉降。Lesson 8 Text: Structural Steel BehaviorMechanical Properties under Static Load在靜力荷載作用下大多數(shù)結構鋼的一些力學性能如圖8.1所示，最初鋼材的線性應力-應變曲線為線性，其斜率為楊氏彈性模量。彈性模量E的變化范圍是22.1兆帕，通常假定其值約為2兆帕。鋼材在此線性階段保持彈性，卸載后可完全恢復。線彈性性能的極限常近似為屈服應力Fy，相應的屈服應變?yōu)镕y/E。 超過此極限后，鋼材出現(xiàn)塑流，直至應變增止應變硬化應變est前，其應力都不再增加。些塑性范圍通常都比較大，它是鋼材具有延

41、性的原因。 當超過應變硬化應變后，應力便超過屈服應為Fy，趕到應力達到極限應力Fu。至此，截面出現(xiàn)局部減小，承載力下降，最終出現(xiàn)拉斷破壞。屈服應力Fy也許是一結構鋼最重要的強度特性。它隨鋼材的化學成分的不同具有明顯變化，最為主要的化學成分包括碳和錳，它們的增加都能提高鋼材的屈服應力。 屈服應力隨所采用的熱處理和軋制過程中的加工量而變化。因此，加工較多的較薄的鋼板比具有同樣化學成分的較厚鋼板的屈服應力高些。冷加工也提高鋼材的屈服應力。應力速率影響屈服應力，高的應變速率使上（或第一）屈服應力以及下屈服應力Fy都有提高。確定某一鋼材屈服應力的試驗中所采用的加載速率大大高于實際結構常遇到的大致靜態(tài)加載

42、的速率。為了設計目的，為每一不同級別的鋼材指定一個所謂的最小屈服應力。在澳大利亞和英國，這些分級是基于鋼材的化學成分和熱處理，從而在每一分級中，屈服應力隨軋制型鋼或鋼板的最大厚度而降低。而在美國，每一級別的化學成分和熱處理不同，引用的屈服應力并不隨厚度而變化。某一鋼材所謂最小屈服應力由許多標準試驗結果所確定。由于局部化學成分，熱處理，加工量，厚度以及加載速率的小的差異，標準試驗的結果具有比較大的離散性。鑒于此，為某一特定鋼材所指定的、用于設計的所謂最小屈服應力Fy通常是一個標準值，它具有在任一標準試驗中被超過的一特定幾率（常為95%）。 因此，某一試驗結果可能會大大高于所指定的屈服應力。當然，

43、如果對除了截面最厚部分以外的任何部分進行試驗，這一差異將會更大。通常認為根據(jù)單軸拉伸所確定的屈服應力也適用于單軸受壓。Fatigue Failure under Repeated Loads 在許多輪脈動荷載作用下，結構鋼可能在平均拉應力較低時就斷裂。這種高周疲勞破壞始于反復加載產(chǎn)生的局部破壞，因為它導致了局部細小裂縫的出現(xiàn)。而后的反復加載導致疲勞裂縫逐漸延伸，直到最終有效截面減小太多以致出現(xiàn)災難性破壞為止。只有當在結構設計壽命內可能出現(xiàn)大量加載次數(shù)時才在設計中考慮高周疲勞。這種情況常見于橋梁、起重機以及支撐機械的結構，而風浪荷載也可能導致疲勞問題。嚴重影響抗疲勞破壞的因素包括加載次數(shù)、每一加

44、載的應力幅以及局部應力集中的大小。 防止疲勞的設計要考慮結點的布置以及容許應力， 通常結點應布置得使應力集中最小，且應盡可能產(chǎn)生通過結點的平滑的應力流。在確定焊接詳圖時也應謹記此點，應避免不必要的應力提高因素。在可能的地方，將結點位置限定在低應力區(qū)也是有益的，如反彎點或中性軸附近。Brittle Fracture under Impact Load結構鋼并不總是表現(xiàn)為延性，在一些情況下，突然的災難性的破壞也可能發(fā)生，即使其名義拉應力較低時。脆性破壞始于高局部應力區(qū)細小裂縫的存在或形成，這些裂縫一旦出現(xiàn)，便可能以延性的（或穩(wěn)定的）方式發(fā)展，并且這種發(fā)展需要外部力提供能量才能將鋼材拉斷。更為嚴重的

45、是以脆性（或不穩(wěn)定）方式高速發(fā)展的那些裂縫，這種發(fā)展需要存儲于鋼材中的內部彈性應變能的釋放來使鋼結構破壞。當有足夠的內部應變能時，這種裂縫是自發(fā)展式的，并且將繼續(xù)發(fā)展直到被其路徑上的具有足夠變形能力從而能吸收所釋放的內部能的延性構件所阻止為止。結構抵抗脆性破壞的能力取決于局部應力集中，鋼材自身的延性以及結構的三維幾何約束。高局部應力易導致裂縫出現(xiàn)，因此由差的幾何形式和加載布置（包括沖擊加載）所致的應力集中都是危險的。材料中的裂縫和缺陷也很重要，它們不但提高局部應力，也是裂縫可能出現(xiàn)的區(qū)域。結構鋼的延性取決于其萬分、熱處理和厚度，并隨溫度和加載速率變化。圖8.2 表示受到?jīng)_擊時，鋼材所能吸收能量

46、的能力隨著溫度的增加。低溫時，吸能能力也低，脆性裂縫比較容易出現(xiàn)和發(fā)展， 但當溫度較高時，由于延性屈服，鋼材的吸能能力提高，裂縫能停止延伸。在這兩種極端情況下存在開裂越來越困難的過渡區(qū)，脆性破壞的可能性也會由動態(tài)加載所產(chǎn)生的高應變速率增加，這是因為動態(tài)加載所產(chǎn)生的屈服應力的提高降低了由延性破壞所可能帶來的能量吸收。鋼材的化學成分對其延性影響很大：過多的非金屬元素的含量會增加其脆性，而一些金屬元素的存在會增加延性。 含有較大晶體顆粒的鋼材一般都會更脆些，這主要受熱處理及其厚度的影響（較厚的型鋼的晶體顆粒一般都比較大些） 三維幾何約束，如在較厚或體積較大的構件上出現(xiàn)的幾何約束，也會使脆性增加，這是

47、因為此時局部應力更高，開裂時所釋放的能量更大，從而使裂縫也更容易擴展。Lesson Ten Text Reinforced Concrete BeamsSingly Reinforced beams 在應用力學里，已經(jīng)研究了均質梁的性能, 所建立的純彎基本公式如下： 如果材料是彈性的，服從虎克定律和貝努利平截面假定，且梁是均質彈性的，則采用以上公式，就可得出梁長任意點處某截面上的應力、曲率、轉角和撓度。在淺鋼梁的情況下，我們知道以上假定都成立的。在混凝土情況下，由于其抗壓強度高而抗拉強度低，素混凝土梁在受拉區(qū)開裂而突然破壞。 為了增加素混凝土梁的強度，通常都是將鋼筋布置在受拉區(qū)，從而有了鋼筋水泥混凝土的問世和應用。由于鋼材強度是混凝土