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1、中文翻译4. 1结构特性分析 研究结构的特性在结构设计中是一个很重要的部分，它是保证设计安全性和适用性的 基础。本节讨论常用的结构分析方法。正如贯穿本书所讨论的一样，本章集中讲述与钢结 构设计相关的材料问题。1.分析的目的 绝大数的结构是因需而生的。因此，任何一个结构的评价都是从分析结构如何有效地满足使用要求开始的。 设计人员必须考虑以下三个因素：（1）实用性指结构的形式、构造、耐久性、抗火性以及抗变形能力等的一般物理关系。（2）可行性包括造价、材料及产品的实用性和结构的实用性。 （3）安全性指抵抗设计荷载的能力。 2.方法 一个完整的结构分析包括以下几点：（1）确定结构的物理特性一一材料、形
2、式、尺寸、方向、位置、支承条件以及内部特征和构造。（2）确定施加在结构上的负荷.即荷载. （3）确定结构的变形极限。 （4）确定结构的荷载效应，即荷载作用对结构的内力、应力和主要变形的影响。 （5）评定结构是否能够安全地承担所需的结构要求。 结构研究可以采用以下三种方法: （1）图解表示街载下结构的变形。 （2）使用数学模型。 （3）对结构或比例模型进行试验，测量其在荷载下的效应. 当需要精确的定量评定时，可以采用基于可靠度理论的数学模型或直接测量物理效 应。-般地.建立数学模型先于实际结构.甚至是先于试验模型。括号直接测定限制在试验 研究上或是限定在验证未被检验过的理论上或是限定在设计方法土
3、。 3.直观法 本书强调图解法，草图是一种非常有价值的学习及解决问题的建助工具。最有用的三 种图解法是:隔离体图解法、荷载变形结构放大示意图和比例图. 隔离体图解法是用图解的方法表示一个隔离单元所受的所有外力.这个隔离单元可以 是整体结构或是结构的一部分。 例如，图4. 1（a）为一整体结构梁柱刚性框架和框架研受外力(由箭头表示)。结构所受的外力包括自重、风荷载和支座反力(即反力)。注意：结构所受的力系使结构处于静力平衡状态。 图4. 1 （b）为从框架上隔离出来的单个梁的隔离体图。该梁承受两种力：自重以及梁端部和与梁相连码在之间的相互作用力。梁和柱之间的相互作用力在框架隔离体图中是看不到的。
4、因此梁的隔离体图目的之一是阐明此相互作用力。注意：柱子传递给梁端的不仅有弯距，还有水平力和竖向力。 图4.1（c）为沿梁长度方向上部分梁的隔离体，给出了梁的内力作用。在该隔离体上作用有自重和剖面相反一侧对该梁段所施加的作用力，正是由于此内力使得整个梁的剩余部分保持平衡。图4.1（d）为梁截面隔离体中的一小段或一部分，该图显示了这部分与相邻部分间的作用力。此图有助于设计人员了解结构所受的应力。既然这样，由于它是梁的一部分，因此受到剪应力和线性压应力 的作用。荷载变形结构放大示意图有助于定性确定作用力和形状改变之间的关系。实际上，可以从力或应力的类型来推断变形的形式，反之亦然。 例如，图4. 2（
5、a）表示的是图4. 1所示框架在风荷载作用下的变形放大示意图。应注意从图中如何确定框架的每个构件的弯曲作用特性。图4.2 （b）给出了在不同类型应力下，单个隔离体的变形特性。 比例图为一些数学关系或实测数据的图形。例如，图4. 3代表一弹性弹簧阻尼振动的形式。该图是位移-时间（s-t）关系图，其关系式如下: 虽然方程已经足够描述位移-时间的关系，但是图示还可以表示位移-时间关系的很多方面，比如位移衰减的比率，振动周期以及在某一特定时间里振动的具体位置等。 4.2分析与设计方法 传统的结构设计方法是围绕着工作应力法展开的，此方法现在称为应力设计或容许应力设计（allowable stress d
6、esign， ASD)。此方法依赖于经典的弹性特性理论，用两个极限值来衡量设计的安全性:可接受最大应力(称为容许工作应力)和容许的变形极限值(挠度、伸长等)。这两个极限值是结构在使用荷载下的效应，即正常使用条件下的荷载效应。 与此同时，承载力法是用来衡量设计是不是可以抵抗其绝对荷载的极限，即当结构必须破坏时，结构抗力是否大于结构效应。 为了得到令人信服的应力极限值、应变极限值以及破坏极限，大量进行现场(在实际结构上)和试验室(在结构样本原型或模型上)试验。 提示 研究实际结构的破坏是为了研究和确定结构的可靠性。 实际上，工作应力法是指设计一个结构，使其在工作状态下只发挥部分承载力。承载力法是设
7、计一个结构使其发生破坏，但是当实际荷载没有超过破坏荷载时，结构不会发生破坏。显而易见，应力法和承载力法是不同的，但是这种不同主要是设计程序上的不同。应力法（ASD法） 应力法应遵循以下规则： （1） 尽可能合理地假设和确定使用（工作）荷载的状况。可以通过确定可能的统计荷载组合（如恒载+活载+风载）来调整荷载状况，同时考虑荷载的持久性等。（2） 确定不同结构效应下受拉、受弯、受剪、屈曲及变形等的标准应力、应变和 变形极限值结构效应。 （3） 评定结构效应。 使用应力法的优点是集中于结构的使用状态（真实的或期望的）。主要的不足之处在于人为的把破坏状态分离出来大多数结构接近破坏极限时，应力和应变很不
8、相同。 承载力法（LRFD法） 承载力法应遵循以下规则: （1） 确定使用荷载值。然后乘以一修正系数（本质上是一安全系数），即得到设计荷载。 （2） 假设结构的各种效应，并确定结构在适当效应下的极限（最大或破坏）抗力（如受压、屈曲及受弯等的抗力）。有时该抗力受到某一修正系数的影响，即抗力系数。在设计中使用了荷载和抗力系数，则承载力法有时又被称为荷载抗力系数设计法(load and resistance factor design， LRFD) （见第4. 9节）。 （3） 对照结构的使用抗力与极限设计抗力（分析过程），或建议采用适当抗力的结构 （设计过程）。 设计人员比较愿意使用承载力法的主要原因是结构的破坏比较容易检验。什么样的工 作状况才合适是一个值得思考的问题。无论如何，最初被用于设计钢筋混凝土结构的承载力法，现在己用于各专业设计。 不过，经典弹性理论作为基本方法仍然用于结构工作状况的假设上。但是，由于非线性材料、二次效应和多重模式效应等的影响，使得极限效应常常不同于传统的效应。换言之，通常的步骤是先考虑传统的弹性效应，然后观察（或推测）接近破坏极限时结构的反应。附：本翻译英文来自Simplified Design of Steel Structures（钢结构简化设计丛书 第七版）,作者James Ambrose（詹姆斯安布罗斯）。