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1、8. Structural Steel Behaviour土木0704乔荟 07231104静载下的力学性能最重要的机械结构钢性能的静负荷是表示在理想化的拉伸应力应变Fig.8.1所示图。最初的刚才有一个线性的应力应变曲线的斜率是杨氏弹性模量。钢的弹性，同时保持在这个线性范围，完全恢复。该线弹性特性的限制，通常近似屈服应力约200000MPA，以及相应的范围内。超过这个限制塑性钢的流动没有任何压力，直到应变硬化应变的增加就达到了。这通常是塑料的范围相当大，以及对钢铁延性非常重视。屈服应力或许是结构钢的最重要的强度特性，它随着钢材化学 不同发生显著的变化，最重要的成分是碳和锰，两者都会引起屈服应
2、力的提高。屈服应力随着热处理方法和压制过程的工作量而变化，在同样的条件下压制次数多的薄板的屈服应力高于较厚的钢板。硬化也可以提高屈服应力，拉伸的速率影响屈服应力，高拉伸速率会提高前期屈服应力，也可以提高下屈服应力Fy.在试验中用到的用来确定特殊钢种屈服应力的拉伸速率比实际结构中经常遇到的几乎不变的速率要明显提高很多。根据设计目的，各个不同的钢级别要确定一个最小屈服应力，在澳大利亚和英格兰，是根据化学组成和热处理方法来分级的，而且各个级别的屈服应力随压制面最大厚度的增加而减小，另一方面，美国的惯例是在个级别内区分化学组成和热处理方法。所应用的屈服应力不随厚度而变化。每种钢材的最小屈服应力是根据一
3、系列的标准拉伸试验的结果确定的。由于成分组成，热处理方法，压制次数，板厚和试验速率的小的变化，在这些试验结果中有种显著的分布，这种分布近似服从正态分布曲线。因此，某种钢材用在设计中的最小屈服应力通常是一个特征值，其在任何标准拉伸试验中会超过某个概率，因而一个独立的试验结果很可能明显高于我们引用的屈服应力。当然，这种区别会更明显的如果试验不再横截面最后的位置进行的话。通常认为，单向拉伸所确定的屈服应力对单向压缩也正确。重复荷载下的疲劳破坏结构钢经过多次的循环交变荷载后可能在低水平拉应力条件下发生破坏。由重复荷载导致的局部损伤会引起这种高周疲劳破坏，它导致了微小裂缝的形成，疲劳裂缝的程度随着后来的
4、重复荷载而逐渐增大，直到最终有效横截面积小以至发生突然破坏，高周疲劳只是当在结构物设计基准期可能出现大量的荷载循环时的一种设计的考虑。这通常是桥梁，起重机，和支撑机械的结构物的问题，而且风和波浪荷载也可能引起疲劳问题。显著影响疲劳强度的因素有荷载循环次数，荷载循环中的应力幅以及局部应力集中的大小。通常，节点应当布置得使应力集中减少到最小，以使通过节点的应力流，尽可能平滑。焊接细节也应考虑到这一决定，和不必要的压力聚集者，应避免。它也将有利于限制，如可行，接头的地点，如在接近中性轴点，低应力区。冲击荷载下的脆性破坏结构钢不总表现出可塑的特性，在一些情况下可能发生突然破坏，即使名义拉应力很低。脆性
5、破坏由局部高应力区域的微小裂缝的存在或形成而引发。一旦开始，裂纹就会稳定增长因为外力会提供撕裂钢材所需的能量。更严重的是快速不稳定传播的裂缝，因为储存在钢材中的固有的弹性应变能被释放并用来使钢材破坏。只要有足够的应变内能，这种裂缝是自扩展的并且将延伸至被扩展路径中的延性元件破裂。这种延性元件具有足够的变形能力吸收释放的内能。由于钢材的延性，在三向约束条件下，结构对脆性破坏的抵抗由局部应力集中的大小确定。高集中应力促进裂缝开展，所以由不良的几何形状和荷载布置引起的应力集中都很危险，而且材料的裂纹和缺陷也非常重要。不仅会增加局部应力而且有可能成为裂纹扩展区。结构钢的延性取决于钢材的组成，热处理方法
6、和钢材的厚度，并且随温度和应变率的变化而变化。像发生在更厚或者更大颗粒元素的钢材中南，三向的几何约束也会促进脆性，这是因为有更高的局部应力，因为在开裂过程中的更大的能量释放和裂缝传播的减缓。脆性破坏的危险可以由选择适合温度下延性的钢材类型来降低，或者通过由减小应力集中和几何约束的观点来设计节点。装配技术应该尽量避免引进潜在的危险裂缝或缺陷。重要结构物的设计细节需要受目的在于探测严重缺陷的检查程序的影响。当然，设计者还必须适当考虑特种钢，制造技术，检测和修正程序的额外费用。9.Earth Pressures重力式传播的稳定条件设计必须考虑的不是最终或使用极限状态，计算表明，必须有足够的经费是对发
7、生不良极限状态有关一个特定类型的墙体了。在挡土墙的失效模式的数目可能对于检查外部稳定，重力墙被视为刚体（即没有内部收益或扭曲）。在某些类型的结构检验中，还需要有内部的稳定，例如钢筋混凝土墙，加固土墙。上述给出的安全系数的运用是设计的传统方法，在1994年推荐的极限状态方法要求对强度代表值运用一个调节系数来获得设计值，例如，如果墙体位移量要求不超过0.5%的墙高，不排水强度下应用的M之应该小于1.5，承载能力计算时M应该在2到3之间，有效应力参数M应该小于1.2。结构内力和弯矩应该由设计土压力和水压力确定。为方便起见，重力墙壁取决于他们对外部的稳定和极限状态下自身的重量基本上应审查：力量作用在挡
8、土墙中的垂直和水平分量计算。为了方便垂直力量包括墙壁的垂直载荷的重量和任何它可能携带，随土壤以上的L形和T形墙踵重量在一起。也可能是地球的压力造成的垂直分量的支持时，面对的不垂直，地面是倾斜的或在墙上摩擦是包括在内。挡土墙的土压力主动土压力对能够阻止土体塌落、滑移和蠕变为自然平衡状态的任何挡土结构施加水平向和竖直向荷载分量，这些结构在土压力的作用下会发生稍微的屈服。当挡土结构挤压墙后土体时，产生被动土压力。静止土压力是土体施加给不屈服竖直挡土表面的水平压力。静止土压力表示介于主动和被动两种极限状态之间的情况。每一种土压力都取决于土壤的物理特性以及土壤和结构的相对刚性。土最重要的性质看来是密度、
9、砂土的内摩擦角、黏性土的黏聚力和超固结比。就任意土体材料来说，作用在常见挡土墙上的主动土压力水平分量可由针对墙背竖直、墙后填土面基本水平的一般土压力楔体理论很好地给出。假定该墙体采用通常的施工方法进行回填，并且能够产生一小的转动（转动大小为0.001倍的墙体高度）引发回填土的内摩擦。该转角等价于土压力作用下20英尺墙体的上表面向外移动1/4英寸。一般土压力楔体理论的公式（考虑了沿挡土墙墙面的摩擦）也可以用来计算墙体和填土面倾斜等其它所有情况下的水平分力。然而，和试验结果相比则表明计算结果对负超载情况有点偏小，对正超载情况有点偏大，但是相差不超过10%。如果考虑进关于实际坡度的条件的不确定性，将挡土墙简化为墙背垂直填土面水平的情况进行计算，也是足够精确的。在所有情况下，侧向压力的竖直分量会使土压力合力与墙背的法线形成一个等于墙面摩擦角的角度。然而，该角度在任何情况下都不能超过墙后填土的内摩擦角。有些土由于缺少排水及他们自身的性质，在任何情况下都可能变为流体（不管形成的流体材料是大面积的还是仅仅靠墙的一条窄层）；这些土的压力和与其具有同样密度的流体的静水压力相等。浸没土的压力可由式(9.1)给出，只不过式中采用的材料容重会由于水的浮力和浸没条件下的内摩擦系数而降低；除此之外，也必须包括完全的静水压力。对于粒状材料来说，水下的浸没对内摩擦系数和墙面摩擦系数的影响非常小。
