PropertiesofStructureSteel

鋼結構的性能Stellisoneofthemostwidelyusedstructuralmaterials.Theadvantagesofstructuralsteelarediscussedinthefollowingparagraphs.鋼是一種最廣泛使用的結構材料.下面我們就討論下鋼結構的優點.HighStrengthThehighstrengthofsteelperunitofweightmeansthatstructureweightswillbesmall.Thisfactisofgreatimportanceforlong-spanbridges,tallbuildings,andstructureshavingpoorfoundationconditions.高強度鋼材每單位重量的高強度意味著結構的重量將是小的。這個事實對大跨的橋梁、高層建筑以及有著薄弱地基條件的結構具有重要意義。UniformityThepropertiesofsteeldonotchangeappreciablywithtimeasdothoseofreinforcedconcretestructure.一致性鋼材的性能隨時間的變化不明顯，正如鋼筋混凝土結構的性能也隨時間變化不明顯。ElasticitySteelbehavesclosertodesignassumptionsthanmostmaterialsbecauseitfollowsHooke'slawuptofairlyhighstresses.Themomentsofinertiaofasteelstructurecanbedefinitelycalculatedwhilethevalueobtainedforareinforcedconcretestructureareratherindefinite.彈性比起大多數材料，鋼材的運行更接近于設計的假定，因為它直到相當高的應力仍然遵循虎克定理。一個鋼結構的慣性矩可以確切地被計算，而鋼筋混凝土結構得到的該值是非常得不確切。PermanenceSteelframesthatareproperlymaintainedwilllastindefinitely.Researchonsomeofthenewersteelsindicatesthatundercertainconditionsnopaintingmaintenancewhatsoeverwillberequired.持久性適當維護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，一點也不需要涂漆的維護。DuctilityThepropertyofamaterialbywhichitcanwithstandextensivedeformationwithoutfailureunderhightensilestressesissaidtobeitsductility.Whenamildorlow-carbonstructuralsteelmemberisbeingtestedintension,aconsiderablereductionincrosssectionandalargeamountelongationwilloccuratthepointoffailurebeforetheactualfractureoccurs.Amaterialthatdoesnothavethispropertyisgenerallyunacceptableandisprobablyhardandbrittleandmightbreakifsubjectedtoasuddenshock.延性材料在高的拉應力下能承受大的變形而不破壞的性能被稱為是延性。當一根低碳結構鋼構件正在進行受拉測試時，在實際的斷裂發生之前，在破壞點處將會發生橫斷面的大大縮小以及產生很大的伸長。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.在正常荷載下的結構構件中，在不同的點上會形成高應力集中。普通結構鋼延性的特點使它們在這些點上局部地屈服，這樣阻止了過早的破壞。延性結構的另一個優勢是當超載時，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.結構鋼是堅韌的；也就是說，它們既有強度又有延性。一根鋼構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，因為這意味著鋼構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 結構鋼其它的一些重要優點是：(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)疲勞強度;(f)在結構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。鋼材是最終可循環的材料。Ingeneral,stellhasthefollowingdisadvantages.1通常，鋼材具有下列缺點。MaintenanceCostsMoststeelsaresusceptibletocorrosionwhenfreelyexposedtoairandwaterandmustthereforebeperiodicallypainted.Theuseofweatheringsteels,insuitabledesignapplications,tendstoeliminatethiscost.大多數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。在合適的設計應用中，采用風化的鋼材往往能避免該費用。FireproofingCostsAlthoughstructuralmembersareincombustible,theirstrengthistremendouslyreducedattemperaturescommonlyreachedinfireswhentheothermaterialsinabuildingburn.Furthermore,steelisanexcellentheatconductorsuchatnonfireproofedsteelmembersmaytransmitenoughheatfromaburningsectionorcompartmentofabuildingtoignitematerialswithwhichtheyareincontactinadjoiningsectionsofthebuilding.Asaresultofthesefactsthesteelframeofabuildingmayhavetobeprotectedbymaterialswithcertaininsulatingcharacteristics,orthebuildingmayhavetoincludeasprinklersystemifitistomeetthebuildingcoderequirementsofthelocalityinquestion.防火費用盡管結構構件具有不燃性，但它們的強度通常在火中達到的溫度時會驚人地減少，而建筑中的其它材料則會燃燒。很多火災發生在空的建筑物中，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熱體，不耐火的鋼構件可以將一個房屋燃燒的區域或隔間的足夠的熱量傳送而使鄰近建筑區域內與之接觸的材料燃燒。根據這些現象，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，或者該建筑物不得不包含一個自動噴水滅火系統，假如它符合正被討論地區的建筑規范的要求。SusceptibilitytoBucklingThelongerandmoreslenderthecompressionmembers,thegreaterthedangerofbuckling.Aspreviouslyindicated,steelhasahighstrengthbutwhenusedforsteelcolumnsissometimesnotveryeconomicalsometimesbecauseconsiderablematerialhastobeusedmerelytostiffenthecolumnsagainstbuckling.容易屈曲受壓構件越是長和細的，其屈曲的危險越大。正如前面所顯示的，鋼材單位重量的強度高，但是用于鋼柱時有時并不經濟，因為不得不采用相當多的材料僅僅是為了加強柱子以防屈曲。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力或者甚至承受大量的拉應力的變化，則它的強度可能會降低。(只有包括拉力時我們才有疲勞問題。)目前的習慣是如果預測到會有超過規定數量的應力變化的循環次數，則應降低該構件的估計強度。BrittleFractureUndercertainconditionssteelmayloseitsductility,andbrittlefracturemayoccuratplacesofstressconcentration.Fatigue-typeloadingsandverylowtemperaturesaggravatethesituation.脆性斷裂某些條件下，鋼材可能失去它的延性，并且可能在應力集中處發生脆性斷裂。疲勞型荷載和非常低的溫度加重了這種情形。Structuralanalysisistheprocessofdeterminingtheforcesanddeformationsinstructuresduetospecifiedloadssothatthestructurecanbedesignedrationally,andsothatthestateofsafetyofexistingstructurescanbechecked.結構分析是確定在給定荷載下結構中產生的力和變形，以便使結構設計得合理或檢查現有結構的安全狀況Inthedesignofstructures,itisnecessarytostartwithaconceptleadingtoaconfigurationwhichcanthenbeanalyzed.Thisisdonesomemberscanbesizedandtheneededreinforcingdetermined,inorderto:carrythedesignloadswithoutdistressorexcessivedeformations(serviceabilityorworkingcondition);andtopreventcollapsebeforeaspecifiedoverloadhasbeenplacedonthestructure(safetyorultimatecondition).在結構設計中，必須先從結構的概念開始擬定一種結構形式，然后再進行分析。這樣做能確定構件的尺寸以及所需要的鋼筋，以便a)承受設計荷載而不出現損壞或過大變形(在正常使用或工作狀態)；b)防止結構在荷載未達到規定的超載以前倒塌(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，結構處于彈性狀態，因此以彈性狀態假定為基礎的結構理論適用于正常使用狀態。通常只有當危險截面的材料遠遠超過彈性范圍之后，才可能發生結構倒塌，因而建立在材料非彈性狀態基礎上的極限強度理論是合理確定結構安全性，防止倒塌所必需的。不過彈性理論可用來確定延性結構強度的安全近似值(塑性下限逼近法)，在鋼筋混凝土設計中習慣采用這種方法。Forthismasononlytheelastictheoryofstructuresispursuedinthischapter.基于這種原因，在本章中僅采用結構的彈性理論。Lookedatcritically,allstructuresareassembliesofthree-dimensionalelements,theexactanalysisofwhichisaforbiddingtaskevenunderidealconditionsandimpossibletocontemplateunderconditionsofprofessionalpractice.Forthisreason,animportantpartoftheanalyst'sworkisthesimplificationoftheactualstructureandloadingconditionstoamodelwhichissusceptibletorationalanalysis.嚴格地講，所有結構都是三維構件的組合體，對其進行精確分析，即使在理想狀態下也是棘手的工作，而在實際工程條件下，更是難以想象。基于這種原因，分析人員工作的一個重要部分是將實際結構和荷載狀態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，框架結構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上。由于傳統的結構分析方法不能分析平板的作用，所以經常理想化成類似于梁的條形結構。同樣，普通的方法不能分析三維框架體系，因此將整個結構簡化為平面框架體系模型，逐一加以分析?，F代的矩陣—計算機法可以分析整個體系從而革新了結構分析，這樣可對荷載作用下結構的性能做出更可靠的預測Actualloadingconditionsarealsobothdifficulttodetermineandto expressrealistically,andmustbesimplifiedforpurposesofanalysis.Thus,trafficloadsonabridgestructure,whichareessentiallybothofdynamicandrandomnature,areusuallyidealizedintostaticallymovingstandardtrucks,ordistributedloads,intendedtosimulatethemostsevereloadingconditionsoccurringinpractice.實際荷載狀態也是很難確定和很難客觀表達的，為廠進行分析，必須進行簡化。例如，橋梁結構上的交通荷載主要是動荷載且是隨機的，通常理想化成靜態行駛的標準卡車或分布荷載，以用來模擬實際產生的最不利的荷載狀態。Similarly,continuousbeamsaresometimesreducedtosimplebeams,rigidjointstopin-joints,filler-wallsareneglected,shearwallsareconsideredasbeams;indecidinghowtomodelastructuresoastomakeitreasonablyrealisticbutatthesametimereasonablysimple,theanalystmustrememberthateachsuchidealizationwillmakethesolutionmoresuspect;.Themorerealistictheanalysis,thegreaterwillbetheconfidencewhichitinspires,andthesmallermaybethesafetyfactor(orfactorofignorance).類似的還有，連續梁有時簡化為簡支梁，剛性節點簡化為鉸接點，忽略填充墻，把剪力墻視為梁；在決定如何建立一個結構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都將使求得的解更加不可靠。分析得越客觀，產生的信心就越大，而所取的安全系數(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.結構分析最重要的用途是作為結構設計中的工具。按此定義，它通常是反復試算過程中的一個環節，在這種方法中，首先，在假定的橫載下對假定的結構體系進行分析，然后根據分析結果設計各構件。這個階段稱為初步設計，由于此時的設計常常會變化，通常采用粗略的快速方法就足夠了。在此階段，估計結構的成本，修正荷載及構件特征，并對設計進行檢查以便改進。至此，將所有的更改納入到結構中，再進行更精細的分析，并修改構件設計。Anefficientanalystmustthusbeincommandoftherigorousmethodsofanalysis,mustbeabletoreducethesetoshortcutmethodsbyappropriateassumptions,andmustbeawareofavailabledesignandanalysisaids,aswallassimplificationspermittedbyapplicablebuildingcodes.Anup-to-dateanalystmustlikewisebeversedinthebasesofmatrixstructuralanalysisanditsuseindigitalcomputersaswellasintheuseofavailableanalysisprogramsorsoftware.因而，有能力的分析人員必須掌握嚴密的分析方法，必須能夠通過適當的假設條件進行簡化分析，必須了解可利用的標準設計和分析手段以及建筑規范中允許的簡化方法。同時，現代的分析人員必須精通結構矩陣分析的基本原理及其在數字計算機中的應用并會應用現有的分析程序及有關軟件。2、應力和應變在任何工程結構中獨立的部件或構件將承受來自于部件的使用狀況或工作的外部環境的外力作用。如果組件就處于平衡狀態,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生相應的內力。有很多不同負載可以應用于構件的方式。負荷根據相應時間的不同可分為：(a)靜態負荷是一種在相對較短的時間內逐步達到平衡的應用載荷。持續負載是一種在很長一段時間為一個常數的載荷，例如結構的重量。這種類型的載荷以相同的方式作為一個靜態負荷;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)重復載荷是一種被應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計隨時間不斷變化的載荷。上面已經提到，作用于物體的外力與在材料里面產生的相應內力平衡。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，那么產生的內力也均勻分布并且可以說桿是受到一個均勻的正常應力，應力被定義為應力==負載P/壓力A，因此根據載荷的性質應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。如果一個桿受到軸向載荷，即是應力，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，產生的應力定義如下:應力==改變長AL/初始長L因此應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，在實踐中，在荷載作用下材料的延伸是非常小的，測量的應力以*10-6的形式是方便的，即微應變，使用的符號也相應成為ue。從某種意義上說，拉伸應力與應變被認為是正的。壓縮應力與應變被認為是負的。因此負應力使長度減小。當負載移除時，如果材料回復到初始的，無負載時的尺寸時，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，產生正比于負載的變形。由于載荷正比于載荷所產生的壓力并且變形正比于應變，這也說明，當材料是彈性的時候，應力與應變成正比。因此胡克定律陳述，應力正比于應變。這定律服從于大部分鐵合金在特定的范圍內，甚至以其合理的準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。當一個材料是彈性的時候，當載荷消除之后，任何負載所產生的變形可以完全恢復，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，已經表明，應力/應變==常數常數被賦予符號E,被稱為彈性模量或楊氏模量。因此E=應力/應變