土木工程专业英语翻译 廷主编(21500字)

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第一课 土木工程学

一1土木工程学作为最老的工程技术学科,是指规划,设计,施工及对建筑环境的管理。此处的环境包括建筑符合科学规范的所有结构,从灌溉和排水系统到火箭发射设施。

一2土木工程师建造道路,桥梁,管道,大坝,海港,发电厂,给排水系统,医院,学校,公共交通和其他现代社会和大量人口集中地区的基础公共设施。他们也建造私有设施,比如飞机场,铁路,管线,摩天大楼,以及其他设计用作工业,商业和住宅途径的大型结构。此外,土木工程师还规划设计及建造完整的城市和乡镇,并且最近一直在规划设计容纳设施齐全的社区的空间平台。

一3土木一词来源于拉丁文词“公民”。在1782年,英国人John Smeaton为了把他的非军事工程工作区别于当时占优势地位的军事工程师的工作而采用的名词。自从那时起,土木工程学被用于提及从事公共设施建设的工程师,尽管其包含的领域更为广阔。

一4领域。因为包含范围太广,土木工程学又被细分为大量的技术专业。不同类型的工程需要多种不同土木工程专业技术。一个项目开始的时候,土木工程师要对场地进行测绘,定位有用的布置,如地下水水位,下水道,和电力线。岩土工程专家则进行土力学试验以确定土壤能否承受工程荷载。环境工程专家研究工程对当地的影响,包括对空气和地下水的可能污染,对当地动植物生活的影响,以及如何让工程设计满足政府针对环境保护的需要。交通工程专家确定必需的不同种类设施以减轻由整个工程造成的对当地公路和其他交通网络的负担。同时,结构工程专家利用初步数据对工程作详细规划,设计和说明。从项目开始到结束,对这些土木工程专家的工作进行监督和调配的则是施工管理专家。根据其他专家所提供的信息,施工管理专家计算材料和人工的数量和花费,所有工作的进度表,订购工作所需要的材料和设备,雇佣承包商和分包商,还要做些额外的监督工作以确保工程能按时按质完成。

一5贯穿任何给定项目,土木工程师都需要大量使用计算机。计算机用于设计工程中使用的多数元件(即计算机辅助设计,或者CAD)并对其进行管理。计算机成为了现代土木工程师的必备品,因为它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而确定建造一项工程的最佳方法。

一6 结构工程学。在这一专业领域,土木工程师规划设计各种类型的结构,包括桥梁,大坝,发电厂,设备支撑,海面上的特殊结构,美国太空计划,发射塔,庞大的天文和无线电望远镜,以及许多其他种类的项目。结构工程师应用计算机确定一个结构必须承受的力:自重,风荷载和飓风荷载,建筑材料温度变化引起的胀缩,以及地震荷载。他们也需确定不同种材料如钢筋,混凝土,塑料,石头,沥青,砖,铝或其他建筑材料等的复合作用。

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一7 水利工程学。土木工程师在这一领域主要处理水的物理控制方面的种种问题。他们的项目用于帮助预防洪水灾害,提供城市用水和灌溉用水,管理控制河流和水流物,维护河滩及其他滨水设施。此外,他们设计和维护海港,运河与水闸,建造大型水利大坝与小型坝,以及各种类型的围堰,帮助设计海上结构并且确定结构的位置对航行影响。

一8 岩土工程学。专业于这个领域的土木工程师对支撑结构并影响结构行为的土壤和岩石的特性进行分析。他们计算建筑和其他结构由于自重压力可能引起的沉降,并采取措施使之减少到最小。他们也需计算并确定如何加强斜坡和填充物的稳定性以及如何保护结构免受地震和地下水的影响。 一9环境工程学。在这一工程学分支中,土木工程师设计,建造并监视系统以提供安全的饮用水,同时预防和控制地表和地下水资源供给的污染。他们也设计,建造并监视工程以控制甚至消除对土地和空气的污染。他们建造供水和废水处理厂,设计空气净化器和其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟生产活动引起的空气污染。他们也采用建造特殊倾倒地点或使用有毒有害物中和剂的措施来控制有毒有害废弃物。此外,工程师还对垃圾掩埋进行设计和管理以预防其对周围环境造成污染。

一10交通工程学。从事这一专业领域的土木工程师建造可以确保人和货物安全高效运行的设施。他们专门研究各种类型运输设施的设计和维护,如公路和街道,公共交通系统,铁路和飞机场,港口和海港。交通工程师应用技术知识及考虑经济,政治和社会因素来设计每一个项目。他们的工作和城市规划者十分相似,因为交通运输系统的质量直接关系到社区的质量。

一11渠道工程学。在土木工程学的这一支链中,土木工程师建造渠道和运送从煤泥浆(混合的煤和水)和半流体废污,到水、石油和多种类型的高度可燃和不可燃的气体中分离出来的液体,气体和固体的相关设备。工程师决定渠道的设计,项目所处地区必须考虑到的经济性和环境因素,以及所使用材料的类型——钢、混凝土、塑料、或多种材料的复合——的安装技术,测试渠道强度的方法,和控制所运送流体材料保持适当的压力和流速。当流体中携带危险材料时,安全性因素也需要被考虑。

一12建筑工程学。土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项目的建筑。他们,有时被称为项目工程师,应用技术和管理技能,包括建筑工艺,规划,组织,财务,和操作项目建设的知识。事实上,他们协调工程中每个人的活动:测量员,布置和建造临时道路和斜坡,开挖基础,支模板和浇注混凝土的工人,以及钢筋工人。这些工程师也向结构的业主提供进度计划报告。

一13社区和城市规划。从事土木工程这一方面的工程师可能规划和发展一个城市中的社区,或整个城市。此规划中所包括的远远不仅仅为工程因素,土地的开发使用和自然资源环境的,社会的和经济的因素也是主要的成分。这些土木工程师对公共建设工程的规划和私人建筑的发展进行协

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调。他们评估所需的设施,包括街道,公路,公共运输系统,机场,港口,给排水和污水处理系统,公共建筑,公园,和娱乐及其他设施以保证社会,经济和环境地协调发展。

一14摄影测量,测量学和地图绘制。在这一专业领域的土木工程师精确测量地球表面以获得可靠的信息来定位和设计工程项目。这一 方面包括高工艺学方法,如卫星成相,航拍,和计算机成相。来自人造卫星的无线电信号,通过激光和音波柱扫描被转换为地图,为隧道钻孔,建造高速公路和大坝,绘制洪水控制和灌溉方案,定位可能影响建筑项目的地下岩石构成,以及许多其他建筑用途提供更精准的测量。

一15其他的专门项目。还有两个并不完全在土木工程范围里面但对训练相当重要的附加的专门项目是工程管理和工程教学。

一16工程管理。许多土木工程师都选择最终通向管理的职业。其他则能让他们的事业从管理位置开始。土木工程管理者结合技术上的知识和一种组织能力来协调劳动力,材料,机械和钱。这些工程师可能工作在政府——市政、国家、州或联邦;在美国陆军军团作为军队或平民的管理工程师;或在半自治地区,城市主管当局或相似的组织。他们也可能管理规模为从几个到百个雇员的私营工程公司。

一17工程教学。通常选择教学事业的土木工程师教授研究生和本科生技术上的专门项目。许多从事教学的土木工程师参与会导致建筑材料和施工方法技术革新的基础研究。多数也担任工程项目或技术领域的顾问,和主要项目的代理。

第二课 建筑物与建筑学

二1建筑物的目的是给人类的活动提供一个遮风挡雨的地方。从穴居时代到现在,人类的第一需要最基本的就是有一个可以遮风避雨之所。在一个比较一般的感觉中,建筑物的艺术包含人类试图控制环境和直接自然力以满足需要所取得的所有成就。除建筑物外,这种艺术还包括大坝,运河,隧道,沟渠和桥。

二2遮风避雨的建筑物的设计和其他功用的土木工程结构的设计的科学基础原理是相同的。而只是因为现代社会特定的需要,这两个领域才沿着不同的路径发展。相似的,关注作为遮风避雨的建筑物的主要营造者也不再是一个单独的个体;相反的是由多个专家组成的小组:规划师,建筑师,工程师和建造者。一个现代建筑物的实现依赖这个小组集体的智慧。

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二3建筑物的结构是建筑物的功能、环境及各种社会经济因素共同作用的产物。公寓,办公大楼和学校的不同在于它们实现的功能不同。公寓的每一个可居住空间如起居室和卧室必须有来自窗户的自然光,而浴室和厨房可以采用人造光源因而可以安排在建筑物内部。这种必要的设置对公寓的进深必然有限制。另一方面,对办公大楼而言,人造光源更能达到均匀照明的要求,因此,对自然光的需求不再有建筑物进深的限制。

二4环境可能影响到建筑物的形状和外观。城市里的学校通过使用空白的围墙完全的封闭于城市之外,而乡村的学校可能发展成为景观的一个主要部分,即使两者实现同样的功能。

二5最后,建筑物的结构被各种社会经济因素影响,包括地价,租赁,工程预算,分区限制。城市的高地价造成高层建筑物,而乡村的低地价造成低的建筑物。富人的住房建筑计划不同于廉价的住房建筑计划。有威望的办公大楼的预算将大大地超过其他的办公大楼。建筑物的大小和外形可能受到分区的限制。在所有这些例子中,有着相似功能的建筑物常常采用不同的结构。

二6建筑学是建筑物的艺术。事实上所有的建筑学都是关于为了人类的使用而围住的空间。在任何特殊的建筑物中所覆盖的精确活动——广泛到从工厂的一条装配线到一个家庭的起居室——应该规定几个内部区域的大小和形状。这些空间也必须被安排在彼此合乎一定逻辑的关系中。此外,在建筑物中的人类活动——建筑学中的说法是“流通”——需要大厅,楼梯和电梯,它们的尺寸受到预期荷载的支配。建筑物的结构平面图,总是建筑师的第一考虑,是深入实现建筑物意图的空间组织中的这些不同目的的决定。好的平面组织可以指引访客到达他们的在建筑物中的目的地并且使他们留下印象。他们也许是下意识地被大厦很显然的各个单元的关联所指引。相反地,不好的平面组织将带来不便,浪费和视觉混乱。

二7此外, 一个结构需要很好地被建造。它应该有结构需要的和被选材料允许的耐久性。建筑学的未经加工的材料,如石,砖,木,钢或玻璃,部分决定了建筑物的结构并对建筑物进行表达。 石能抵抗压缩, 尽管一起压挤的力几乎是不能确定的。在一个实验室里压碎石是可能,但是对于实际应用,它的抗压强度则是无限的。另一方面,石在抵抗各向拉力方面是很弱的。任何空间跨度的梁在支承之间容易向下弯曲,梁的下半区承受拉力。由于石承受拉力的能力很弱,这种材料的梁相对地比较短, 并且支撑间距比较小。此外,石柱必须坚固,其高宽比极少超过10。在石类建筑中,门,窗及柱之间的空间几乎都被迫高大于宽,这源于石的垂直矩形美学。石在西方世界建筑学中占有如此之高的统治地位,以致,即使在木结构建筑时期其适当的造型一直被妥善保护着,像在美国的乔治王时代。然后,石借助它本身的构造类型,成为支撑楼板和屋顶的墙,成为承重结构中的密排柱,成为主要承受压力的拱形结构。

二8木是一种纤维材料,相比其抵抗压力的能力而言,它更易于抵抗拉力。木制梁可能相对比石制梁长,并且木制柱较细且可以广泛地作一定间隔的排列。由于木的自然性质常形成宽大于高的

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水平矩形,这在日本建筑学中常被见到。钢的抗拉强度也等于或大于其抗压强度。已经观察过钢结构建筑物建筑过程的任何人一定曾注意到由细的广泛地作一定间距排列的柱及每个楼板的长梁所组成的水平格状矩形。木和钢的性质意味着框架结构——一个支撑楼板和屋顶的骨架——任何的铺面材料都可能是必需的。木和钢也准许悬臂结构,在这种结构中,梁的投影超出支承的最后一个测点。

二9最后,建筑学不仅必须超过符合强度和空间的实际需要,它也一定要使人得到精神满足。建筑物应该使每一个零部件形成一个美学的统一体。因此,结构的侧面和背面应该与正面具有足够的一致性,可以使所有相关部分成为一个独立的整体。同样地,大部分的内部分区也需要在外部设计上有所表现。正殿,甬道,袖廊,半圆形壁龛,而且辐射哥德式大教堂的小礼拜堂,举例来说,全部是在外部上看得见的,所以访客在潜在意识里意识到他们将在里面找到什么。

二10建筑要求有恰当的比例,即令人愉快的虚与实、高与宽、长与宽的关系。人类已经作过许多尝试用数学公式来解释好多比例,如黄金分割。然而,这些努力并没有被广泛接受,尽管在设计各处透过一些尺寸(举例来说,一个模数是一个柱的直径一半)的复测法已经收到很好的结果。这种复测法帮助提出了人类思想渴望的可视规则。

二11一个建筑物还应该有建筑师称作的比例尺,它应该能在视觉上传达它的真实尺寸。如长椅、台阶或楼梯栏杆等元素,尽管由于它们特别的原因在大小方面有些微可变,但仍然与人类的正常尺度有关。

二 12它们因此也几乎不可察觉地成为精确计量整个大厦尺度的测量单位。因这些单位对整个建筑物而言太小,所以还需要其他中间尺度的元素。楼梯和一个楼梯栏杆可能给门口的尺寸一个提示,依次是柱廊的高度,最后是整个的结构廊。凡尔赛的Petit Trianon在比例尺方面相当完美。罗马的圣彼得堡由于缺少小元素而让人很难感知它的巨大。

二13虽然全装饰在一些现代的建筑中被拒绝,但它过去由于固有的美或为了强调建筑物的一些重点而常被采用。装饰品可能用于突出建筑物的特征和建筑物目的的可视化表现。因此,一个银行要看起来像银行,一个教堂也应该同样地可以被立刻确认。理想地,任何建筑物应该通过与它建筑上的邻居的一些关系和地方地理学上看起来属于它的位置。

二14经过建筑学目的的成型,再受材料、比例和设计者给定的比例尺和特征支配,建筑物成为建造它们的时代的理想的表达和热望。历史性建筑学的连续性式样是他们的时代精神的化身。 的部分。

第三课 建筑物的组成

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三1材料和不同的结构形式联合组成建筑物的各种不同部分,包括承重框架,外壳,楼板和隔墙。建筑物也有像升降机,供暖和冷却,照明这样的与机械和电力有关的系统。上部结构是建筑物地面以上的部分,而下部结构和基础则是建筑物地面以下的部分。

三2摩天大楼的出现得益于19世纪的两大发展:钢骨架结构和旅客升降机。钢,作为一种建筑材料,源于1885年贝色麦转炉的引入。Gustave Eiffel(1832-1932)将钢结构引入法国。1889年巴黎展览会的塔和他为Galerie des 机械的设计表现了钢结构的灵活性。艾菲尔铁塔高984英尺(300米),是人类建造的最高的结构,直到40年后才被美国一系列的摩天大楼超越。

三3第一个升降机是在1857年被Elisha Otis安装于纽约的一幢百货公司。在1889年,Eiffel在艾菲尔铁塔上安装了第一个大尺寸的升降机,它的水力升降机能在一个小时内运送2350个旅客到达顶点。

三4承重框架。直到19世纪晚期,建筑物外墙被用作支承楼板的承重墙。这种结构本质上一种梁柱模型,并且仍然被用于房屋框架结构。

三5承重墙结构由于需要巨大的墙厚而限制了建筑物的高度。例如,芝加哥建于19世纪80年代16层的Monadnock大厦,较下层的楼板下的墙厚达5英尺(1.5米)。在1883 年,William Le Baron Jenney (1832-1907)采用铸铁柱支撑楼板的方式以形成笼状结构。由钢梁和钢柱组成的骨架构造最早用于1889年。由于骨架构造,围墙变成一个“幕墙”,胜于起支撑作用。砖石一直被用作幕墙材料,直到20世纪30年代,轻金属和玻璃幕墙开始被使用。在钢结构引入后,建筑物的高度持续快速地增加。

三6在二次世界大战前,所有的高层建筑都是采用钢结构。战后,钢材的短缺和混凝土质量的改良导致钢筋混凝土高层建筑的出现。芝加哥的Marina塔(1962)是美国最高的混凝土建筑。它的高度达588英尺(179米),被伦敦的高达650英尺(198米)的邮政大厦和其他塔式建筑所超越。 三7关于摩天大楼构造观点的转变恢复了承重墙的使用。在纽约城由Eero Saarinen于19xx年设计的哥伦比亚广播系统大楼,有一个由5英尺(1.5米)宽,相邻柱的中心距为10英尺(3米)的混凝土柱组成的环形墙。这个环形墙实际上有效地组成了一个承重墙。产生这种趋向的一个理由是,采用建筑物的墙壁作为一个筒体,可以非常经济地获得起到抗风作用的足够硬度。世界贸易大厦是这种筒体方法的另一个例证。相反地,刚性框架或垂直的桁架通常被用于提供侧向稳定性。 三8外壳。建筑物的外壳由透明元素(窗)和不透明元素(墙)所组成。尽管塑料正在被使用,窗传统上还是使用玻璃,特别是在学校,破损产生了一个维护问题。用于覆盖结构并由结构支撑的

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墙元素由多种材料建造:砖,预制构件,混凝土,石,不透明玻璃,塑料,钢和铝。木主要被用于房屋建筑,由于有火灾的危险,它通常不用于商业,工业和公用建筑。

三9楼板。建筑物中楼板的构造依赖于所使用的基本结构框架。在钢结构中,楼板或是搁置在钢梁上的混凝土板,或是表面附有混凝土的波状钢组成的凹板。在混凝土结构中,楼板或是搁置在混凝土梁上的混凝土板,或是一系列顶端有一个薄板双向都近距离排列的混凝土梁,在其下部提供了一个多余的空间。这种类型的板的使用依赖于支撑柱或墙间的跨度和空间的功能。例如,在公寓中,当墙和柱的间距在12英尺到18英尺(3.7米到5.5米),最常用的结构是无梁的实心混凝土板。这种板的下部可以用作其下层空间的天花板。办公大楼中常使用波纹钢楼板,这是因为波纹钢楼板的波纹当由另一块金属板盖上时,可以形成电话线和电线通道。

三10机械和电力系统。一个现代建筑不仅包括它所需要的空间(办公室,教室,公寓),还包括帮助提供舒适环境的机械与电力系统的辅助空间。在摩天办公大楼中,这些辅助空间可能构成总建筑面积的25%。在办公大楼中,供暖,通风,电力和卫生管道系统的重要性体现在工程预算的40%被分配给它们。因为使用带有不能开窗的密封性建筑屋的增加,精细的机械系统被用于通风和空调。渠道和管道携带来自中央风扇室和空气调节机的新鲜空气。悬吊在上部楼板结构下面的天花板,隐藏着管道系统,还包含照明设备。用于动力和电话通讯的电力配线,也被安置在天花板空间内,或被埋置在楼板结构中的管道内。

三11已经有种种尝试将机械和电力系统通过坦白地表达它们以合并到建筑物的建筑学中。举例来说,在爱荷华州首府得梅因的美国共和保险公司大楼(1965),管道和楼板结构以一种有组织和优雅的形式暴露在外,用吊顶进行分配。这种方法使得减少建筑物的花费成为可能,并且可以允许改革,例如在结构的跨度方面。

三12地基与基础。所有的建筑物都支撑在地面上,因此,土体的性质成为任何建筑设计中极端重要的考虑因素。基础的设计依赖于许多土体的要素,如土的类型,土壤的层理,土层的厚度和它的压缩性,以及地下水的状态。土壤很少有一个单一的成分。它们通常是不同厚度土层的混合物。为了评估,土壤被按照颗粒大小分为不同等级,它们从淤泥到粘土到砂到砂砾到岩石依次增加。大体上,较大颗粒土的负载能力将会强于较小的一些。最硬的岩石可以高达每平方英尺100吨(每平方米976.5公吨)的负载,但是最软的淤泥所能承受的负载只有每平方英尺0.25吨(每平方米2.44公吨)。所有表面以下的土都处在受压状态中,说得更精确一些,这些土承受与作用在其上的土柱重量相等的压力。许多土(除了大多数的砂和砾石以外)显示出弹性性质——在荷载作用下受压变形,当荷载解除后可以回弹。土壤的弹性常常依赖于时间,也就是说,土的变形可能发生在荷载作用后从数分钟到数年的时间长度上。超过一个时段,如果建筑物作用在土体上的负载高于土的天然压实重量,它可能产生沉降。相反地,如果建筑物作用在土体上的负载小于土体的天然压实重量,它可能隆起。土也可能在建筑物自重作用下产生流动,就是说,它很容易被压挤出。

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三13由于压实和流动效应,建筑物趋向于沉降。例如比萨和博洛尼亚的斜塔,不均匀沉降能产生破坏效果——建筑物可能倾斜,外墙和隔墙可能产生裂缝,窗户和门可能够变得不起作用,并且极端的情况是建筑物可能倒塌。尽管在某些极端条件下,像墨西哥城的情况,能产生严重的后果,但是不均匀沉降并不是那么严重。过去100年以来,那里地下水水位的变化已经使一些建筑物沉降超过10英尺(3米)。由于这种运动能发生在施工工程中和其后,仔细分析在建筑物下土的行为显得非常重要。

三14土的巨大的可变性导致基础问题多样的解决方法。在地表附近存在坚硬土时,最简单的解决方法是把柱放置在一个小的混凝土板上(扩展基底)。土较软的地方,有必要将柱荷载传递到一个较大的面积上,在这种情况下,则在整个建筑物底下采用连续的混凝土板(筏或席)。地表附近的土体不能承载建筑物重量时,木制,钢制或混凝土制桩被打入以加固土体。

三15建筑物的施工工程自然是从基础到上部结构。但是,设计工程则是从屋顶到基础(沿重力的方向)。过去,基础不依照系统调查。科学设计基础的方法已经在20世纪内得到发展。美国Karl Terzaghi的先锋研究,利用土力学和探测及测试程序技术,使精确预报基础的行为成为可能。过去基础的破坏,像经典的例子——比萨斜塔,已经变得几乎不存在。然而,基础仍然是许多建筑物一

个隐而昂贵

第四课 高层建筑

四1大体上建筑施工工艺学方面已经有许多进步, 在超高层的设计和施工上已经取得了惊人的成就。

四2高层建筑早期的发展开始于钢结构。钢筋混凝土和薄壳筒系统已经经济而竞争性地被用于大量的住宅和商业目的的结构。由于新型结构系统的创新和发展,现在从50到100层的高层建筑遍布全美国。

四3更大高度的要求增加了梁柱的尺寸以使建筑物刚性更强,以便在风荷载作用下建筑物将不会产生超过一个可接受限度的摆动。过度的侧移可能导致隔墙,天花板和其他建筑细部的重复性损害。此外,过度侧倾可能使建筑物的居住者因为对摆动的知觉而导致不便。钢筋混凝土和钢结构系统,能充分利用整个建筑物固有潜在的劲性,因而不需要额外加劲以限制侧倾。

四4例如,在一个钢结构中,经济性由建筑物房屋面积每平方英尺钢的全部平均数量来定义。图一中的曲线A采用层逐渐增加的数量表现传统框架的平均单位重。曲线B则表现框架受到所有横向荷载保护下的平均钢重量。上下边界之间的间隙则表现传统梁柱框架为高度付出的额外费用。结构工程师已经发展了可消除这一额外费用的结构系统。

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四5钢结构体系。因为一些类型的结构改革,钢高层建筑物得到了发展。此改革被用于办公大楼和公寓的建造。

四6带有刚性带式桁架的框架。为了将一个框架结构的外柱约束于内部的垂直梁架,可能在建筑物中部和顶部采用一个刚性带式桁架的系统。这一系统的最好例证是在密尔瓦基的威斯康辛州第一银行建筑物 (1974)。

四7框架筒体。只有当建筑物突出地面的所有的柱构件能够彼此连接使整个建筑物成为一个空心筒体或一个劲性箱体时,一幢高层建筑的整个结构才能最有效。这种特殊的结构体系第一次大概是用于芝加哥的43层楼高的德威特栗木钢筋混凝土公寓。而这一系统最重要的应用是纽约的110层楼高的世界贸易中心的钢结构双塔。

四8对角柱桁架支撑筒体。建筑物的外柱可以被适当的分隔却仍能通过在梁柱中线处交叉对角构件连接使之作为一个筒体而共同工作。这种简单而又极其有用的系统最早被用于芝加哥的约翰汉考克中心,其仅仅使用了传统的40层楼高建筑的用钢量

四9组合筒体(束筒)。由于对更大更高的建筑物的持续需求,框架筒和对角柱桁架支撑筒可能采用组合使用的形式以创造更大的筒,并仍可以保持高功效。芝加哥110层楼高的西尔斯瑞巴克总部有9个筒,由三排建筑物组合而成。一些个别筒体终止在建筑物不同的高度,证明了无限建筑可能性的结构观念。西尔斯塔高1450英尺(442m),是世界上最高的建筑。

四10 薄壳筒体系。筒结构体系的发展提高了高层建筑抵抗侧向力(风和地震作用)和飘移(建筑物的侧向运动)的能力。薄壳筒使筒结构体系有了进一步的发展。薄壳筒的进步是利用(高层)建筑的外表面(墙和板)作为与框筒共同作用的结构构件,为高层建筑抵抗侧向荷载提供了一个有效的途径,而且可获得不设柱子,节省成本,使用面积与建筑面积之比很高的室内空间。

四11由于薄壳表面的作用,筒体的框架构件数量减少,使得结构更轻,费用更少。所有标准柱和外墙托梁都采用标准型钢,使得组合构件的使用和花费最小化。四周外墙托梁的深度要求也被减少,而且楼板上的顶梁对有用空间的占用会达到最小。这种结构系统已经被使用于 54 层楼高的匹兹堡的梅隆银行中心。

四12混凝土体系。虽然采用钢结构建造的高层建筑开始很早,但是钢筋混凝土高层建筑的快速发展在办公大楼和公寓方面对钢结构体系产生了很大的挑战。

四13 框架筒体。由上面讨论到的,高层建筑最早的框架筒体概念应用于43层楼高的德威特栗木公寓。在这一建筑物中,外柱以中心距为5.5英尺(168米)的间隔排列,内柱则用于支撑8英寸厚的混凝土平板。

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四14筒中筒。另一个用于办公大楼的钢筋混凝土结构体系是将内部框架筒体与传统的剪力墙工艺相结合。这种体系由间距很小的柱子构成的外框架筒与围绕中心设备区的刚性剪力墙内筒组成。这种被称为筒中筒的体系使设计目前世界上最高(714英尺或218米),总费用只相当于传统35层楼高的剪力墙结构体系的轻型混凝土建筑(52层楼高的休斯顿的壳广场建筑)成为可能。 四15 结合混凝土和钢的体系也得到发展,这方面的一个例子是由Skidmore, Owings 和

Merrill发展的复合体系。它是采用间距很小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒组成,因此兼有钢筋混凝土和钢结构体系的优点。在新奥尔良的一个 52 层楼高的壳广场建筑便是以这一体系为基础。

第十七课 结构工程

十七1结构工程是土木工程的一个专业分枝,土木工程涉及到公路,桥梁,大坝和公共事业线等工程的设计,施工和建筑物施工控制。

十七2设计包括制定要做任务的时间表,选择对工程最合适的结构型式和设备。施工需要适时安排工作需要的全部图纸,设计和材料以避免耽搁工期。控制由进度分析和费用分析组成,确保工程按时和在估计的费用内完成。

十七3计划。计划开始于建筑物的详细调查和工程设计书。通过调查,所有工作项目清单被准备好,相关的项目被收集起来列成一个主要的计划表。建筑步骤和每个项目分配的时间接着被列出来。选择被用在各个工作项目中的施工方法和设备以确保工期和工程特性花最可能少费用。

十七4总的时间量分配给施工过程和选择施工方式和选择按合同所得到的设备。在主要的或一般的建筑物进度表绘制完成后,次要的详细进度表根据主要进度表准备。这些包括获得材料,设备和劳动力的单个进度表,也有费用和收入的预算表。

十七5施工。工程的快速施工要求当需要时有稳定的材料,设备和劳动力供应。结构工程主要对购买大部分建筑材料和运输它们到工地上负责。一些材料,如结构用钢和机械设备,需要供应者部分或全部制作。

十七6对于这些制作的材料,工程师必须准备或检查所有的制作图纸以便精确地检查组装工作,检查供货商的制作过程。

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十七7其他结构工程的职责是通过研究方法安排工作,准备详图以便阐明设计工程师的建筑图,检查工作以确保它符合计划和规范。

十七8在大多数大型工程里,有必要为临时性结构如排水结构,道路,办公和储存结构,模板和挡土坝设计和准备结构图纸。另外的问题在于电力和机械工具的选择,以及混凝土材料的处理,混合设备,压缩空气,水,电力系统分配的结构特性的设计。

十七9控制。进度控制靠对比实际施工过程和建立在主要或详细进度表上的期望施工过程获得。既然工程的某个特性很容易影响整个工作,那么通常要增加设备或人员以加快工作。

十七10费用控制靠对比实际每个工程项目费用和工程初的预算获得。施工的总费用除以施工项目数就是单个项目费用。

十七11土方开挖或混凝土施工以体积作为典型的计价单位,结构用钢用吨作为计价单位。任何时候累积的项目费用除以累积的工作过程就是任何项目的实际单位费用。

十七12个别的工作项目费用靠定期的发放工作费用如工资表,和发放到各种工作项目账户上获得。工资表和设备租金根据全体工头准备的时间卡片分配。卡片指出了全体人员设备在不同的工作单元上花费的时间材料费用的分配是基于用在每个专门项目上的每种类型的材料的量。

十七13当实际费用和估计费用的对比表明过量时,分析原因。如果是设备费用过量,那也许是设备能力不够,或是不适合工作。如果是劳动力费用过量,那也许是人员过多,缺乏合适的管理,或者是被缺乏材料或安排布置耽搁了。在这种情况下,分析生产能力时,时间研究是无价的。

十七14建筑施工根据专业领域分类。这些包括,工程场地准备,挖填土地基处理,刚材定位,物体定位,沥青铺设和电力及机械设备安装。这些领域应用到不同的工程如建筑,大坝,机场的施工方法一般是一样的。然而,在不同的情况下,各个领域的重要性不同。

十七15场址准备。这包括除去和清理所有表面结构和拟建建筑物场地的生长物。推土机用在小型结构和树木的情况下,大型结构必须被拆除。

十七16挖填土。这包括土方开挖和回填土。土方开挖在场址准备之后进行。当现存的阶地必须降到一个新的高度时施工。土方开挖开始于单独除去表层的有机土。表层土后来重新用作美化新结构。这也能阻止地表土下的无机材料的污染,它也许被用作填方。土方开挖由这样挖掘机如单斗挖土机,拉铲挖土机,抓斗,起重机和铲运机中任何一种完成。

十七17在地上进行有效的开挖需要干燥的开挖环境,因为当土湿了时会不稳定并且不能为开挖和拖拉设备提供支撑。当开挖线位于天然水位以下时,排水成了一个主要工作。排水拦截地下水

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流动。当这发生时,排水和稳定土体靠沟渠完成,沟渠引导渗出的水流到一个集水坑,水在那里被泵送出去。排水和稳定土体也许靠其它方法如井点和电渗完成。

十七18一些材料,如岩石,粘性砾石和硬质粘土需要爆炸成松散态,或把材料裂成碎片。爆炸孔钻在材料上,然后爆炸物安装在孔中爆炸。爆炸物的量和爆炸孔的空间尺寸决定于岩石的结构和类型以及爆炸孔的直径和深度。

十七19填土完成后,通常要压紧以阻止随后的下沉。通常靠当被定位时由拖拉机拖着的羊脚,格子,充气橡胶,振动的滚筒完成压密工作。手工控制,汽油驱动的前膛被用来压实没有空间给滚筒操作的结构物附近。

十七20地基处理。当地下探测表明支撑结构的地基有缺陷时,地基必须被加固。水流失,洞穴,裂缝,缺陷或其它的不足靠灌浆填补和加强。灌浆就是高压喷射流动混合物。流体在虚空层凝固。大部分浆液是水泥和水的混合物,但是其它的混合物材料有沥青,水泥,粘土和凝结的化学物质。

十七21钢材组装。钢结构建筑物由轧钢厂和制造厂的钢材组装而成。钢结构由梁,柱或靠铆接螺栓连接以及焊接连接在一起的小桁架组成。在制造车间组装部分结构比在现场更积极,但组装单元大小受运输能力和安装设备限制。在高层结构里,塔架必须经常拆除和重新组装以便连续的把结构开到更高的地方。对于河上的桥,钢结构也许靠驳船或当桥很高时,在正在安装的桥上移动塔架来组装。长悬索桥上的钢索靠卷扬机装在合适的地方,在锚固点安装。在对面的锚固点重复操作,直到所需要的钢索安装完为止。

十七22混凝土结构。混凝土结构由一些操作组成:支模,混凝土浇捣,定位,养护。支模要求保持和支持所需要的流动的混凝土直到它硬化并且能支撑自身。模板由木材或钢材或两者组成,它在混凝土定位期间,靠外部支撑和内部结点结合在一起。模板和结点被设计成能支撑临时的流动混凝土的压力。

十七23对竖直墙来说,在混凝土定位后至少一天才能进行拆模操作。当混凝土硬化或凝固了才能拆模。当模板常移动时,滑模是一个方法,提高到达新鲜混凝土高度处。模板靠千斤顶升起来,千斤顶安装在嵌入在混凝土中的底盘上,沿着结构周围间隔布置。滑板用在高耸结构中如:筒仓,油罐,烟囱。

十七24混凝土通常由两种途径获得:如果工作点距混凝土搅拌站不远,就用搅拌车从商品混凝土厂运过来,否则就在现场浇筑。现场生产混凝土需要安装搅拌机,获取水泥和骨料,操作搅拌机,骨料在工作点或附近生产。这就需要空旷的采石场和安装处理设备如压碎机和筛子。

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十七25混凝土靠直接从搅拌车上用斜槽运送或靠装在桶中用起重机械或缆绳提上来,或靠特殊的混凝土泵泵送上来。

十七26暴露外部的补强要求阻止混合水的蒸发或补充蒸发掉的水。发展到设计强度要求合适的水和水泥平衡。

十七27铺设到飞机场和公路上的混凝土完全是机械操作,来自搅拌车或可移动的铺路车,混凝土被放置在路模中,铺路车是搅拌和定位统一的车。行走在模板上的一系列专门设备。接着展开和震动混凝土,抹平表面,切除收缩节点,作用一种补强混合物。

十七28铺设沥青。这是压碎了的集料和沥青粘合剂的混合物。它也许分别铺设在路基中或在搅拌车上搅拌然后立即在路基中展开。接着路面被滚筒压实。

第十八课 建筑材料

十八1建筑材料必须有一定结构上的使用性的物理特性。首先,它们必须能够承担荷载或重量而没有永久性的变形。当荷载作用在结构构件上时,构件将变形,那就是说绳索将被拉伸或梁将弯曲。然而,当荷载被移去时,绳索和梁将回到原始位置。这种材料特性就叫做弹性。如果材料不是弹性的,那么在移去荷载后变形存在,重复加载和卸载最终增加变形到结构失去作用。所有用在建筑结构里的材料如石材,砖,木材,铝材,钢筋混凝土和塑料在一定范围内的荷载作用下表现弹性。如果加载超出了范围,两种情况会发生:脆性和塑性。如果是前者,材料将突然破坏;如果是后者,在一定荷载(屈服强度)材料开始屈服流动,最后导致破坏。例如,钢材呈现塑性,石材是脆性。材料最终强度由破坏发生时的应力决定。

十八2建筑材料的又一个重要特性是它的刚度。这个特性由弹性模量决定。应力(每单位面积上的力)与应变(每单位长度上的变形)的比率就是弹性模量。弹性模量就是描述材料在荷载作用下的变形能力。对于两种有相同面积且荷载相同的材料。弹性模量大的材料变形小。结构用钢的弹性模量是 磅每平方英寸或 千克每平方厘米,是铝的3倍,混凝土的10倍,木材的15倍。

十八3砌体。砌体由天然材料如石材和人造材料如砖,混凝土块组成。砌体在古代就被使用了。砖用在巴比伦城市非宗教的建筑物,石材用在尼罗河谷的大寺庙。埃及金字塔,高481英尺(147米),是最壮观的砌体结构。砌体单元最初没有用任何粘结材料堆起来,而现代砌体结构用水泥浆作为粘结材料。现代结构用材包括石,红烧粘土砖或瓦,混凝土块。

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十八4砌体本质上是一种受压材料,它不能承受拉力,砌体最终强度取决于砌块和泥浆。最后强度在1000至4000磅每英寸(70至280千克每平方厘米)范围内变化,取决于砌块和泥浆粘结情况。

十八5木材。木材是一种最早的建筑材料而且是一种少有的抗拉性能好的天然材料。世界发现了好几百种木材,并且每种都存在不同的物理特性。只有一些用在建筑结构中作框架构件。在美国,例如,在超过600种木材里,只有20种用在结构中。这些一般是针叶树或是软木,两者都是因为丰富和木材容易成型。在美国,更多普通用在结构中的木材种类是美国松,云杉和红木。这些木材的抗拉强度在5000至8000磅每平方英寸(350至560千克每平米)范围内。硬木最初用作细木家具和内部装饰如地板。

十八6由于木材纹理特性,它沿着纹理的强度大于横向纹理的强度。木材抗拉强度和顺纹抗压强度特别大,并且它有很大的抗弯强度。这些特性使它很适合作结构中的柱和梁。木材作为桁架的抗拉构件是无效的,因为桁架构件的抗拉强度取决于构件间的结点,虽然生产出了很多利用木材抗拉强度的金属连接件,但是很难设计出顺纹方向的抗剪强度或抗拉强度关系不大的构件。

十八7钢材。钢材是一种重要的结构材料。当对比起其它材料受等重量时,它有很高的强度,即使它等体积的重量是木材的十倍。它的弹性模量很大,结果在荷载作用下变形很小。它能轧制成很多结构形式如工字型梁,板。它也能铸成复杂样式,它也能生产成绳索型式用作悬索桥和吊顶里的缆绳,生产成电梯绳和预应力混凝土里的拉杆。钢构件可以通过很多方式连结在一起,如螺栓连接,铆接和焊接。碳素钢易遭受氧化锈蚀因此必须靠喷漆或插入到混凝土中来避免与空气接触。超过 钢材很快失去了强度,因此必须套一个耐火材料(通常是混凝土)以便增加其耐火能力。

十八8添加像硅或锰这样的合金元素,会得到抗拉强度达250000磅/平方英寸(17500千克/平方厘米)的高强钢筋。这些钢用在结构关键部位,如摩天大楼的柱子。

十八9铝。当轻质,高强和抗锈蚀都成为重要因素时,铝就成了一种特别有用的建筑材料。因为纯铝是极其软和延性的,所以,合金成分,如锰,硅,锌和铜必须加进去增加结构所需强度。结构用的铝合金表现弹性。它们的弹性模量是钢材的1/3,因此在同样荷载作用下变形是钢材的3倍。每单位铝合金重量是钢的1/3。因此相同强度下,铝合金构件比钢构件重量轻。铝合金的极限抗拉强度变化幅度在20000至60000磅/平方英寸(1400到4200千克/平方厘米)之间。

十八10铝能塑成很多形状,它能被挤压形成工字梁,拉成绳和杆,轧制成箔和板。铝构件能像钢用同样的方法:铆接,螺栓连接,低强度的焊接连接起来。除了用作建筑框架和预制房,铝也广泛用作窗框和结构幕墙框。

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十八11混凝土。混凝土是水,砂,石料和普通硅酸盐水泥的混合物。碎石,人造轻质石,和贝壳被用在天然石料场。普通硅酸水泥是包含钙和粘土的混合物。在窑里加热,然后研磨成粉。混凝土强度来源于混合了水的粉状的普通硅酸盐水泥,然后硬化。在一个理想的混合物里,混凝土由3/4体积的砂和石料和1/4体积的水泥浆。混凝土的物理特性对混合物成分的变化很敏感,因此必须根据强度或收缩设计成分的配合比以达到特别的结果。当混凝土倾倒在模板里时,它包含自由水,不再需要水化作用的水会蒸发掉。随着混凝土的硬化,它在一定时期内释放出多余的水,并且收缩。由于收缩,细裂缝产生了。为了把收缩裂缝减少到最小,混凝土硬化时必须保湿至少5天。混凝土强度随时间增长,因为水化过程会持续几年;实际上,28天强度就被认为是标准的。

十八12混凝土在荷载作用下是弹性变形。虽然它的弹性模量是钢的1/10,但是变形却一样,因为它的强度也只有钢的1/10。混凝土本质上是一种抗压材料,它的抗拉强度可以忽略不计。

十八13钢筋混凝土。钢筋混凝土由置于到混凝土中的钢筋承担拉力。这些钢筋直径在0.25英寸(0.64厘米)和2.25英寸(5.7厘米)之间,表面有刻痕以确保粘结住混凝土。虽然钢筋混凝土在很多国家有所发展,但是它的发现要归功于一个法国园艺师,Joseph Monnier在1868年用一个钢筋网加强混凝土筒。这个操作是可行的,因为当温度变化时,钢筋和混凝土同等的膨胀和收缩。如果不是这样的话,温度改变时,钢筋和混凝土之间的连接被破坏,因为两种材料的反应不同。钢筋混凝土可被浇筑成各种形状,例如梁,柱,板和拱。因此,它易适用于建筑的特殊结构。虽然大部分商品混凝土强度在6000磅/平方英寸(420千克/平方厘米),但是钢筋混凝土的极限抗拉强度超过10000磅/平方英寸(700千克/平方厘米)是有可能的。

十八14塑料。由于品种多,强度高,耐久性和轻质,塑料迅速成为重要的结构材料。塑料是合成材料或树脂,能被塑成任何期望的形状并且用有机物作胶结剂。有机塑料分成两类:热固性和热塑性。热固性塑料在加热时通过化学物质的变化变得坚固,一旦成型,这些塑料不能再被铸造。热塑性塑料在高温时是软弱的,变得坚固前一定要冷却,这种塑料一般不用作结构材料。虽然尼龙抗拉强度达到60000磅/平方英寸(4200千克/平方厘米),但是大部分塑料的极限强度在7000至12000磅/平方英寸(490至840千克/平方厘米)范围内。

第十九课 结构分析

十九1所有结构必须设计成能承担荷载而不能有整体倾覆或构件破坏的危险。一种确定结构安全的方法是确保由荷载产生的应力和应变小于设计规范的允许值。确定结构的应力和应变是结构分析的最初目的。

十九2一般说来,结构分析首先是检查结构的整体稳定性。这包括确定结构的支撑反力。如果支撑足以承担力,它们反作用给结构等值反向的力。

十九3如果电脑计算表明结构的反应平衡了荷载(结构自重,人群荷载,储存材料,交通工具,风载和地震力),结构就处于静力平衡。

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十九4下一步是确定结构内力和构件单元体上的应力。最后,如果需要的话,计算结构整体变形和构件的变形。靠原理和概念如静力平衡定律使这些步骤变得容易。这些工具是基于结构在荷载作用下是弹性的这个假设,即:应力与应变成正比。

十九5对框架构件进行应力应变的结构分析包括考虑静荷载如构件和楼板自重,建筑固定设备,和活荷载(当成静止考虑)和动荷载如风荷载和地震荷载。由于风荷载的特征是缺乏更多信息,风荷载被当作静止作用在结构上。计算荷载的方式和荷载作用结构上的位置由当地建筑规范限定。另一方面,地震运动作用在建筑物地表下的基础上并且被认为是随机荷载。

十九6重力和风荷载的分析是应用线弹性静定和超静定结构的常规分析法来进行的。对于地震荷载,被设计成传统矩形形状的建筑物是由当地建筑规范规范的等量侧向荷载方法所分析的。这些动力分析方法需要了解建筑结构的动力原理和振动原理。正是这样,由于方法的复杂性,需要高精密的计算机求解很多结构动力学方程。

十九7总的来说,分析的标准程序是考虑建筑物的线弹性行为。然而,分析地震作用下建筑物避免倒塌时,必须考虑非线性动力行为。

十九8基本原理。在结构分析中,平衡定律是基础。它计算梁,桁架,框架,拱和其它结构的外部反应及内部应力时是很有用的。例如,图一结构上作用有共面但不共点的力或者是荷载系统和反力。如果结构是稳定的,这些必须平衡。

十九9如果平衡,结构必须满足三个条件:(1)所有力的水平分力的和必须等于零;(2)竖向分力之和等于零;(3)关于任何一条垂直于平面的轴的矩之和为零。

十九10三个独立方程决定三个未知力。因此,这些平衡方程能直接计算反力,弯矩和剪力,当然也有应力。当满足这些方程时,结构就被认为是静定的。图1a是一个这样结构的例子,有三个未知力——左边反力的竖向和水平分力和右端竖向反力。

十九20图1b中的结构没有反力去平衡水平荷载,图1c没有承担力矩的力。不满足平衡定律。它们都是不稳定的。

十九21另外一个结构分析的基本工具是叠加原理。内容是:在合力作用产生的应力没有超材料弹性极限情况一组力产生的总的弯矩,剪力,应力和变形,等于荷载单独作用下产生效应的总合。

十九22图1:作用了力系统的结构。(a)稳定结构。(b),(c)不稳定结构。三角形表示固定铰支座,圆形表示可动铰支座。

十九23超静定结构。当构件反力数量超过了当平衡存在时满足荷载和反力的独立方程的数时,结构是超静定的。例如,如果图2(a)的刚架柱固定在基础d和e中,将有6个反力,如图2(b)所示。结构将是三重超静定,有6个未知数,然而平衡定律只允许有三个方程。

十九24近似方法分析超静定结构是可行的,这些方法是基于精确的分析和检查柔性材料模型的结构。这样的研究显示刚框架在基础抵抗弯曲,在构件中点附近弯曲反向。如图2(c)所示,在这些点弯矩为零。因此,反弯点相当于铰接接点。

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图2:静不定结构。(a)构件配置。(b)P力在d,e点对应的水平反力是 和 ,垂直犯力是 和 ,弯矩是 和 。(c)变形。反弯点或者说是弯曲改变点是f,g和h。

十九25如果它们在梁和柱中的位置假设如图2所示,并且如果也假设柱的剪力等于侧向荷载的一半,那么从平衡方程也许可以确定反力。同样的近似方法(由下面部分描述)已经用来估计风荷载在框架里产生的应力。(图3)

图3:图上表示建筑物框架用认为反弯点在柱和梁中点的近似方法计算风载下的应力。

十九26近似方法。多层框架中计算风载应力的门架式解法假设:柱和梁的中点存在反弯点,每根内柱承受的剪力是每根外柱承受的剪力的两倍。这样就使结构变成静定的。

十九27悬臂解法同样是假设柱和梁的重点是反弯点。然而,它进一步假设柱的应力随着距柱中轴线,即柱的重力中心的长度而变化。和门式框架解法一样;也产生了一个静定结构。其它决定水平荷载作用下多层框架的反应的近似解法考虑构件的刚度,这包括Witner K-百分数法,因素法和C法。

十九28在一段时期里,即精确解法是很费力和耗时的卡氏定理,很多高层建筑用门架式或悬臂式解法,和费时最少的方法计算。然而,其他分析方法和电子计算机出现时,近似方法只用作最初估计和检验计算机的解。

十九29计算机分析。电子计算机的出现引进了结构分析方法:柔度法或力法和刚度法或位移法。这两种方法考虑结构的行为在材料线弹性范围内,并且应用在超静定结构里。

十九30柔度法的本质是结构按静定力系表达的位移叠加。多余力的大小由结构的变形相容条件决定。为了满足变形协调要求,必须同时解n个线形方程。这里的n就是结构系统多余未知力的数目。在受荷结构里,一个方程就由一个变形条件决定。必须计算n+1个荷载条件下的位移,一个方程是为施加的荷载,n个方程是为结构的每个多余荷载的解。

十九31刚度法在分析时认为线位移和角位移是未知量。否则就和柔度法一样了。由于未知量的数目,两种方法都计算只有n个多余未知量的结构或需要解复杂的矩阵式的结构。

十九32两种解法的对比指出每种解法都包含矩阵转化。在柔度法里矩阵是n×n个多余未知量。这种方法比刚度法需要更多的矩阵。在刚度法里,n就是结点可能的线位移和角位移量。选择应用任何更好的方法取决于被转换矩阵的大小。

十九33虽然大多数结构作为线弹性行为,处于极限荷载条件下如地震作用,进行分析,但是需要考虑材料非线性行为和作用在结构上的荷载变化产生的非线性几何变形。

第二十课 结构设计

二十1结构设计是选择材料和构件类型,大小和形状以安全有用的样式承担荷载。一般说来,结构设计暗指结构物如建筑物和桥或是可移动但有刚性外壳如船体和飞机框架的工厂稳定性。设计的移动时彼此相连的设备(连接件),一般被安排在机械设计领域。

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二十2结构设计包含至少5个不同方面的工作:工程要求,材料,结构方案,分析和设计。对于不一般的结构或材料,又包含一个方面:试验。这些方面不是严格按步骤进行,因为不同材料在不同方案大多数是有效的,试验会导致设计变更,最终设计由初步估计设计开始,然后经过分析和再设计几个循环后完成。通常,可替代的设计证明在费用,强度和使用性上十分接近。结构工程师,业主或最后住户基于其它的考虑选择一种。

二十3工程要求。在开始设计前,结构工程师必须决定容易接受的执行标准。必须提供承担的荷载或力。对于一些专门结构,当支持一台已知载重的机器或起重机时,这可能直接给出,对于普通建筑物,采用市政,县,州的建筑规范,提供了设计所需活载(人群荷载和设备,屋顶雪荷载,等等)的最小值。工程师将计算出设计期间的恒载(结构和已知永久性设备)。

二十4对要正常使用的结构,也必须控制其挠度,因为安全的结构可能会存在令人不安的振动。机器的支座有严格的变形限制,因为梁下沉会导致驱动轴弯曲,烧毁,部件错位和上面的吊车熄火。挠度限制在跨度/1000 (梁长的1/1000)以下是很普通的。在传统建筑里,支持板的梁挠度限制在跨度1/360以避免粉刷开裂或跨度1/240以避免人的担忧(保持在可感知的变动范围内)。梁的刚度也影响板“振动”,如果不能控制会令人很头疼。另外,高层建筑的侧面变形,位移或摇摆通常限定在高度/500(建筑物高度的1/500)里,把在有风的日子里上面楼层的人移动的不舒服降到最小。构件尺寸在结构设计里起主要作用。例如,由于下面留作水上交通的净空不够或过高威胁到飞机的特定类型的桥是不可接受的。在建筑设计里,天花板高度和楼板之间高度影响楼板框架的选择。墙厚和柱子尺寸和跨度也影响不同框架方案的适用性。

二十5选择材料。技术的进步创造了许多新材料,如碳纤维加强复合材料和硼纤维加强复合材料,它们都具有极好的强度,刚度和强度重量比特性。然而,由于费用高和非通常的制造要求,它们仅用在有限特殊领域。强化玻璃合成物如玻璃纤维是很普遍,但被限制应用在小荷载情况下。用在结构设计上的主要材料更多是普通的,包括钢材,铝,钢筋混凝土,木材,砌体。

二十6结构方案。在一个实际方案里,结构构件承担很多力,包括拉,压,弯,剪和扭。然而所选择的方案将会影响这些力产生的概率,也会影响材料选择过程。

二十7抗拉是有效的承担荷载的方法,整个构件的横截面性能得到发挥,并且不涉及到弯曲变形。任何抗拉方案必须也对抗拉构件的锚固。例如,在悬索桥里,锚固体通常是位于主要绳索尾段的强大自重。为了避免在荷载移动或变形时有不期望的几何变形,抗拉方案通常要求是刚性梁和桁架。 二十8抗压是另一个很有效的承担荷载方法。全部杆件截面发挥了作用,但是设计时必须避免弯曲,或者是做成粗短构件或者是增加附加支撑。圆顶和拱形建筑,拱桥和柱是很普遍的建筑方案。拱产生了必须抵挡住的水平外推力。这靠设计合适的基础或建在车道或楼板的上面的拱解决,靠沿着车道用抗拉构件把两端的拱连接起来,阻止他们拉开。当荷载不是作用在构件轴线上时,抗压构件显著地被削弱。所以,必须认真考虑移动,变化和不平衡的荷载。

二十9基于受弯的方案的效率比受拉和压低,因为弯曲是靠构件一边受拉另一边受压来抵抗。受弯方案如主梁,次梁,刚架和受弯框架在外部锚固或推力限制,与一般基础不同,靠内部刚度阻挡可移动,变化和不平衡的荷载的情况下有利。

二十10桁架是上面方案的混合体。它们设计成荷载横跨在受弯构件上,但是分解成一系列拉力和压力,由抗拉和抗压构件承担。桁架方案设计时不需要特殊锚固或推力的限制,并且有很好的刚度

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抵抗移动或变化的荷载。大量的构件之间连结和抗压构件的附加支撑,看起来有点杂乱,这就是桁架的不利处。

二十11板和壳包括圆顶,拱顶,有齿屋顶,双曲抛物面和马鞍形。这样的方案把所有的力直接作用在平板表面并且作用有巨大的剪力。尽管可能效率很高,但是这样的方案对几何有严格的限制,并且在移动,和不平衡垂直作用在表面的荷载的能力很弱。

二十12薄壳结构和硬壳结构利用加劲肋,梁之间的壳板抵抗剪力和轴向力。这样的设计在飞机机体和火箭,船体方面很普遍。它在建筑方面也是有利的。这样的设计仅仅在壳是设计的逻辑部分并且永远不会被替代和移除时才实际些。

二十13对于桥梁,短跨是很普遍受弯的梁。当跨度增加和梁高变得很大时,通常用桁架和斜拉结构。更长跨时也许用拱,要考虑基础条件和净空要求。最长的跨靠悬索方案处理,因为这可把关键性的自重降到最小并且能索连索地建造起来。

二十14对于桥,短跨靠板承担弯矩。当跨度增加时,主梁和次梁被用来承担弯曲。更长的跨要求用桁架,尤其是在工业建筑有吊车荷载时,圆顶,拱和悬索和充气屋顶被用在传统的大厅和竞技场里以获得净面积。

二十15结构分析。结构分析要求确定稳定性(静力平衡),构件承担的力和变形。它需要构件形状,大概尺寸,已知或假设的材料特性。分析包括:平衡,应力,应变和弹性模量,线形,塑性和弯曲和板截面。很多方法可以完成分析过程。

二十16最终设计。一旦结构分析完成(如果分析是正确的,只用几何方法;反之附加构件尺寸和材料假设)。最终设计可以进行,必须对照业主或政府建筑规范标准来检查变形和允许应力或极限强度。必须计算工作荷载下的安全性。一般方法是可行的,依据所使用的材料类型做出选择。 二十17纯抗拉构件检查横截面应力。特别注意螺栓孔或焊接处的应力。拉弯构件中,用应力之和与分析应力作比。受压构件中的允许应力取决于构件强度,弹性模量,长细比和支点间距离。粗短构件由材料强度决定,然而长细构件由弹性弯曲决定。

二十18梁的设计由对于最大弯曲应力和允许应力来检验,通常由材料强度控制,但是如果受压一边没有侧向支撑就会被限制。

二十19梁,柱或有弯矩的受压构件的设计必须考虑两项。首先,当构件由于承受弯矩而弯曲时,轴力会增加弯曲量,实际上,轴压放大了原始弯矩。其次,对于柱和梁的允许应力是不同的。为了反映这,用到了下面相互作用方程,如果:

二十20就认为构件是令人满意的。

二十21承受垂直于长轴的荷载的构件。如梁和梁——柱,也必须承担剪力。剪应力和荷载的方向相反并且在其右边,把梁的不同部分连接起来。它们与允许剪应力作对比。这些步骤也能用来设计由受拉和受压构件组成的桁架。最后,用工程标准检验变形,使用最后的构件。

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一旦被分析和在工程标准内的设计方案是令人满意的,必须提出制造和建立信息。通过作图,指明所以基本尺寸,材料和构件大小。设计中预期荷载和节点承担的预期力。

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