工程力学 外文翻译-钢结构.doc

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1、2009届工程力学 外文翻译钢结构菲利普约翰逊钢结构的可靠性为了检测结构或结构构件，我们必须确定在极限状态下它是否会出现危险。例如考虑一个承担静荷载F的受拉构件。检测它是否安全就是检测由F引起的应力（F）不超过一个给定的极限flim 。超过该极限就会出现不容许的状况或损伤。因此需要进行以下计算： 设荷载为F，计算应力(F)。 比较和flim 将材料的损伤应力水平定义为屈服点，极限flim与屈服强度fe相同。如果假设(F)小于或等于fe为控制条件，就不可能保证构件达不到屈服。这归咎于以下的可能性: 实际荷载大于预计荷载 屈服强度低于假定值 建造或架设在建筑结构中产生了残余应力。因而可以定义允许应

2、力ndm=flim/v,等于极限应力flim除以安全系数v1，根据容许应力法的控制条件为F小于等于nd。 这种方法被广泛应用于结构设计，但是它也有一些缺陷，尤其是当用于检测极限状态而不是弹性状态下安全性的时候。 实际上，容许应力法仅被用于检测材料能否弹性地抵抗由所谓的使用荷载所产生的效应这就是为什么要用它来决定结构的安全指数的原因。图1 将容许应力法用于结构设计，如图1a所示。考虑在使用荷载F下梁承受了最大应力截面的挠度和柱的稳定性。梁的最大弯矩必须为M(F)Me/v,Me=fe,M表示的是与该段弹性极限相对应的弯矩。柱的最大压力必须为NcMe时梁才会破坏（图1c）, 而荷载Nc对应于柱的最大

3、承载能力。因而这两种结构构件的安全度（或称为可靠性）并不相同。尽管前述的考虑两种结构构件的不同的极限状态（梁的强度和柱的稳定性）的例子似乎很荒谬，采用的方法却是根据实际规则，以容许应力法为基础的。 容许应力法易受到批评,当两个或两个以上独立的荷载组合作用时它就不可能正确使用。 以建筑的一根柱为例：风力使其受弯，永久荷载和其它外加荷载使其受压。弯矩与轴压力由各自独立的原因决定。 令N和Fh分别代表使用状况下轴向受压和弯曲的荷载效应。二者相交于P点（图2b）而这点位于构件的抵抗区域中。 容许应力法保证OA/OPv，即只考虑轴心荷载和弯矩的同步增长。而与之不同的增长方式会使安全系数增大：如果只有轴向

4、荷载增加，则CB/CPv；如果只有弯矩增加，则RS/PRv。 现在以钢筋混凝土柱为例：它抵抗区域的类型如2b)所示。根据容许应力设计OA/OPv，但若只有弯矩增加，则BC/BP v。 另外可找到的典型例子就是雪荷载较小的地区平房建筑的屋顶结构（图3）。桁架下弦杆受拉是因为自重g和雪荷载，风会对屋顶产生吸力，其值为w。 假设桁架自重、雪和风产生的该弦杆轴向力分别为N(g)=l00kN;N(s)=200KN; N(w)= 120KN。 平面外下弦杆长细比通常很大：最大抗压能力Nc;与其最大抗拉强度Nt相比较小。假设Nt=450KN；Nc-50kN. 如果按照容许应力法设计选择一个安全常系数vl.5

5、最大拉力:N(g) + N(g)=100+200=300-50/1.5 然而，为了达到因弦杆屈曲而造成的破坏极限状态，风载效应只需将预计值乘以1.25就足够了，即为： N(g) +1.25N(w）=100-1.2520=-50=N焊接技术 钢板焊接始于20世纪初,当时人们认识到整体焊接能避免使用铆钉所带来的不便。 焊接最明显的困难在于限制加热过程以防止钢板构造妨碍其微观变形。 因此电弧因能产生集中的巨大的热量而被采用。首先将两根炭精电极靠近要连接的钢板，然后在其中一根炭精电极和钢板之间形成电弧来焊接钢板。后来，炭精电极被换成了涂上一层绝缘的材料的电线。这种新的连接技术很快在美国和欧洲传播开来。

6、实验也证实了它完全的可靠性。接着，技术进步产生了与备焊钢板的自然属性和用途有关的其它焊接工序。 当前大约有40多种不同的焊接系统用于满足不同的施工需要。 一、火焰切割法 钢板在焊接前通常是氧乙炔或氧丙烷焊炬切割的，它提供了所需的热源来产生集中的高温和氧气喷射，氧和金属产生强烈的等温反应并能溶化合成的氧化物。 如果焊炬能以恒定的速度自动前行，氧气有足够的纯度，氧气切割的表面足够规则，无须进一步处理就可用于焊接。使用特殊的形材来引导焊接，可以得到各种理想的弯曲的切割口。当需要形成斜口，在焊接边缘之间形成沟槽时，可将焊炬倾斜。 电离气体切割（等离子切割）因其能达到极高的温度，也可以获得氧气切割所不能

7、达到的效果。 二、焊接步骤 气焊步骤根据采用的热源和隔离空气的熔穴如何形成而有着根本的区别。a)氧乙炔焊接 其热源是乙炔和氧气燃烧产生的氧炔焰。这两种气体分别注入焊炬中，在内部混合后从顶部喷出并燃烧。在高温下（约C）形成的火焰还产生保护熔穴的废气（CO和H2）。这种最初采用的方法现在已经很少使用了。 b)金属保护电弧焊（图4a）其热源是电极与基材间激起的电弧，它产生的热量能迅速熔化电极和基材。熔化圆柱形的电极（长约350-450mm）的外表能产生保护电弧附近区域和熔穴的气体。 根据包覆层的组成，最普遍的电极种类为碱性电极（有优良的机械与冶炼性能），酸性电极（有好的机械特性）或纤维素（特殊用处例

8、如安装等）。该过程已适用于多种结构。 c)水下电弧焊接（图4b）其热源同样是电极与基材间激起的电弧。电极是一个缠绕着连续电线的线轴或卷线筒。一个自动伺服装置使它按其熔化的速度前行。分布在接头处的颗粒状焊剂积聚在电弧外部，保护了电弧区域，使电弧在水下看不见。这种方法非常有效。 d)自耗电极气体防护金属弧焊法(MIC金属焊条惰性气体保护焊或MAG)这也是一个利用连续电线的过程，由惰性气体（如氮气：MIG ）或化学活性气体（二氧化碳或它与氩气的混合气体：MIG）提供对电弧的保护。 溶穴的尺寸比前面所述的熔穴要小一些，效率也低一些。MAG工序用于焊接低碳钢和低合金钢。 e)非自耗电极气体防护金属弧焊法

9、（TIG钨极惰性气体保护焊）其热源仍然是钨与基材间激起的电弧。用氩气来保护电弧区域。电极的唯一作用就是形成电弧。同氧一乙炔焊接过程一样，金属焊料必须以棒形引入。这种方法用于在易氧化的熔穴里焊接金属，如不锈钢和铝合金。f)电炉渣焊接 要求需要焊接的部分竖直放置并保持一定的距离。跨过二者之间的缝隙放置铜滑块从而形成竖直的长方形截面“熔锅”。熔流的下端有泄电特性，连续电线电极插在其中电极和基材连在发电机上。根据焦耳效应，通过溶流的电流能保持其足够高的温度来熔化基材电路系统的边缘。这种方法效率很高，用于垂直焊接的只有一个焊程的很厚的钢部件。 三、冶金现象的影响 有两种基本的冶金现象，一是在多个焊程和基

10、焊料的热处理过程中熔化的材料的固结现象。焊接的特征是一小块金属快速熔化，又因周围金属吸收热量而快速冷却。因而是高冷却率的热循环系统，将产生高硬度区域，特别是材料接近焊接的部位。基材中邻近焊接的高硬区可能导致所谓的冷脆现象。 脆裂的起因归咎于熔化状态下焊接材料和邻近的高温基材吸收了氢。氢通常来自包覆电极的电弧气体，但碱性电极除外。 为避免该缺陷，应通过适当的预热焊接部件来调节热循环和使用碱性电极。当焊接高弹性极限的钢材时这种预防措施更应采用，因为这时高硬区域更易形成。 另一种危险的现象是热脆。当基材质在熔化区域的优越带成为高分凝体并不断加厚，且在比钢材还低的温度下固化，收缩应力就会引起材料分离，

11、形成热脆。 熔化区的冶金结构与其机械特征是紧密联系的。 当焊接是通过少数大的焊程完成时重结晶粗糙，硬度降低。这可以用特殊的催化剂来改善。然而，当焊接是通过有限断面的多个焊程来完成时，硬度较高，部分原因归因于标准化工序的使用。风毁的塔科马峡谷大桥 11月7日星期四午后，主跨为2800ft的塔科马峡谷悬索桥被风摧毁，桥塔间几乎整个悬吊结构被扯断，坠入河中。但1100ft的边跨则未受损坏，边跨下垂了大约30ft，但缆绳和桥塔支撑了边跨的重量。桥塔通过嵌入混凝土桥墩的钢锚与地基固定，它受到边跨钢缆不平衡的拉力而向桥台方向严重弯曲。 值得庆幸的是没有人员死亡，因为当时只有少量人在桥上。之前因为大桥过大的

12、危险晃动，已经限制或关闭了交通。当时在桥上为数不多的几个人中有一位华盛顿大学（西雅图）的F.B法可哈森教授，他正对桥梁模型进行长期的振动控制实验。在桥垮塌的时候他正在主跨上给桥跨异常的晃动和扭曲变形拍照。并无异常的风力条件 据报道事故发生的当天早上风力达到每小时42m。先前已经经历过更高风速，结构并无任何破坏，但是这次风使桥梁产生了竖直向周期运动，使得桥梁两侧出现振动相位差而产生横向扭转振动的不断积累。破坏开始出现在中跨的加劲梁失稳，虽然横向支撑可能是最先断掉的。吊杆被拉断，悬吊结构直飞往主缆上方，几百英尺长的桥面路段相继坠落，通往桥塔的道路被中断，只剩下桥桩。抑制振动的努力 固定在边跨的下牵

13、缆绳可使先前在桥上观察到的振动受到阻滞。人们相信正是这些下牵缆绳能阻止主跨剧烈的振动传递到边跨，并防止对桥塔造成更大的破坏。但是，当主跨桥面板坠落，主跨荷载消失，边跨则下陷了30ft，从而使抑制作用失效，加劲梁屈曲和桥面板钢结构变形。 桥塔在不平衡的荷载下向岸边倾斜了12ft（是设计最大值的两倍）直到边跨卸载，桥塔的偏离才逐渐减小。桥塔的破坏在外表上主要是钢板和角钢的屈曲，尤其是在靠近桥墩的地方，那里的钢板只有1/23/4in厚。检查人员报道钢缆在剧烈的弹跳过程中在索鞍上并没有明显移动。桥墩确信没有破坏。振动研究 破坏桥梁的振动是自桥修好后就开始注意到的干扰振动现象的继续。相似但相对较小的振动

14、曾发生在白石大桥，那次的振幅不过几英寸，但塔科马大桥发生的振动则剧烈得多，振幅达到了50in。 人们尝试了各种方法并进行了精心的模型试验来抑制振动，其中白石大桥由普林斯顿大学的E.K.汀博教授指导，塔科马大桥由华盛顿大学的F.B.法可哈森教授指导。塔科马大桥的模型有54ft长，以1:100的比例制成，该模型还装有一系列模拟风压力效果的电磁铁以提供水平力和垂直力。人们发现实际桥梁的行为能够精确地模拟，并实验了许多校正的设施和装置。系缆减小晃动 白石大桥是在主缆的中点与加劲梁的上翼缘之间用短而斜的系缆来防止桥面相对主钢缆纵向晃动。摩擦制动器放置在桥面板连接处和桥塔之间来阻止任何纵向晃动；这些措施实

15、质上减小了垂直振动。 针对塔科马大桥采用了这样一种控制方法，该方法经模型实验后被证实有效，就是在各边跨找一点与地面相连。19/16in规格的钢缆从边跨的桥面板延伸到50码以外混凝土锚碇上，混凝土锚碇通过离缆绳锚点30ft远的销子固定在桥下的地面上。这些钢缆在桥梁跨塌前三至四周一次中等风力作用下被拉断了。从桥塔顶端到加劲梁的斜向缆索连接也考虑过，但还没有实施。流线形有奇效 最近对塔科马大桥模型和放置在风洞里的更小的模型作了实验，来验证加劲梁的形状是否会加剧振动，并找出了加劲梁上各种挡板式或流线形边口的风动力效应。结果发现合理的流线形式几乎遏止了风的扰动效应。不幸的是事故发生的时候，这一实验成果没

16、能赶上用于桥梁。 在11月7日之前竖向振动还没有对桥两侧造成破坏，虽然有几次观察发现平稳规则的振动幅度已达50in. 在华盛朝大学的试验室里对1:100的模型进行了10次不同的振动周期的观察，对梁观察发现周期为12s的振型最为频繁，正好与桥塔的振动周期一致。 在不同的振型记录中可看出中跨受很小的竖向振动就会受很大的弯曲作用。众多目击者表示中间跨是结构最先被破坏的地方。能证明加劲梁最早破坏的理论的是一张照片，上面显示了中跨加劲梁出现了致命的线形畸变（可能是扭纹或剪切断裂），而当时混凝土路面可看出仍然完好无损。另一张摄于第一块混凝土坠落后的照片显示横向结构体系的一对斜角系杆松散开来，悬挂在桥面系下

17、。出处：Philip Jodidio, Contemporary European Architecture, West Pub Co.2006作者简介：Philip Johnson(菲利普约翰逊)，美国建筑师，建筑理论家，埃森曼称他为美国建筑界的“教父”。1979年第一届普立兹克建筑奖（Pritzker Prize）获得者，该奖被誉为建筑界的诺贝尔奖 。1932年任纽约市现代艺术博物馆（MOMA）建筑部主任，同年与希契科克合著国际式风格一书，并举办展览，首次向美国介绍欧洲现代主义建筑。同时，他又与建筑史家HR希契科克（Henry Russell Hitchcock）一起撰写关于“建筑国际风格

18、”的相关著作，该计划中有多名伟大建筑师参与。作品集on 菲利普约翰逊 1979年第一届普1.1949 美国康涅狄格州纽卡纳安玻璃住宅（Glass House New Canaan,CT）2.1958 纽约Seagrams建筑（Seagrams Building New York,NY）3.1966 耶鲁Kline科研中心（Kline Science Center Yale）立兹克建筑奖（Pritzker Priz4.1973 波士顿公立图书馆扩建部分（Boston Public Library Addition）5.1973 休斯顿建筑学院（Houston School of Architec

19、ture）6.1976 德克萨斯州休斯顿（Penzoil Place Houston,TX）e）获得者，该奖被誉为建筑界的诺贝尔奖 7.1977 达拉斯感恩广场（Thanksgiving Square Dallas,TX）8.1977 圣路易斯州人寿保险总公司 General Life Insurance St.Louis）9.1980 加利佛尼亚州加登格罗夫水晶大教堂（Crystal Cathedral Garden Grove）。 Philip Johnson的作品所10.1984 美国纽约电话与电报公司大厦（AT&T Building New York,NY）11.1984 美国宾夕法尼亚州匹兹堡PPG总部（PPG Headquarters Pittsburgh,PA）12.1985 德克萨斯州休斯顿美国银行（Bank of America Houston,TX）e）获得者，该奖被誉为建筑界的诺贝尔奖 13.1987 美国德克萨斯州达拉斯市立国家银行大楼（Bank One CenterDallas,TX）14.1988 佐治亚州亚特兰大大西洋中心（Atlantic Center Atlanta,GA）15.1996 俄亥俄州克里夫兰雕刻中心（Sculpture Cleveland,OH）e）获得者，该奖被誉为建筑界的诺贝尔奖. .此处忽略！16