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第一课人造建材建筑材料是用于建筑目的任何材料,许多自然形成的物质,如黏土、砂子、木材、岩石,甚至岩石和树叶都用来建造房屋.除了天然材料之外,人们还使用许多人造材料,它们或多或少地都是人工合成的.建材生产已经是许多国家的固有产业,这些人工材料通常都按特定工种分类,如木工、管道工、屋面和保温工程,此处涉及到的是用于居住和结构的建筑材料.砖和砌块砖是一种窖中烧制的块材,通常由黏土或者页岩,甚至低级泥土等制成.在软泥制作法中,粘土砖是用模具成型；而在商业化硬泥加工法中,更多的是将粘土挤压过一个硬模,然后用钢丝将其切成合适的尺寸.在17、18和19世纪,砖曾被广泛用作为建筑材料,这大概是因为其在不断拥挤的城市中比木材更耐火,而且较廉价的事实.在20世纪晚期,另一种块材取代了粘土砖,这就是所谓的煤渣砌块,它们大都由混凝土制成.在发展中国家有一种重要的廉价建材称为砂砖,与烧制粘土砖相比,其强度较低但却更加廉价.混凝土混凝土是一种复合材料,由骨料和粘结物（如水泥）制成.最常见的混凝土是波特兰水泥,它是由矿物骨料、波特兰水泥和水混合而成的.混合之后,水泥发生硬化反应,最终硬结成为一种像石头一样的材料.当在一般意义上的使用时,将这种材料称为混凝土.对任意尺寸的混凝土结构,由于其抗拉强度很低,通常用钢筋对其进行加强.为了尽可能的减少使混凝土结构性能降低的气泡,当将具有流动性的混凝土拌合料浇入钢模时,用振捣器将其排出.混凝土已经是现代社会的主要建筑材料.混凝土造价低廉并且能够长期支撑结构物.金属金属用作为大型建筑物（如摩天大楼）的结构框架,或者作为内装修材料.用于建材的金属有很多种,钢材是一种金属合金,其主要成分为铁,常用作为金属结构的建筑材料.钢材强度高,柔性好,例如精制而成或者经过处理,其耐久性亦好.若使用年限较长,锈蚀则是金属的主要缺陷.铝合金和锡合金的低密度和更好的耐锈蚀性有事抵消了其高成本,黄铜在过去更为常见,但是现在仅限于一些特殊场合.金属广泛应用于预制结构中,如匡西特活动板房,在大多数大都市中其应用比比皆是.生产金属需要大量人力,特别是建筑业需要大量金属时更是如此.其他用途的金属有钛、铬、金和银.钛可以用于结构物,但是其价格比钢材高出许多.铬、金和银用于装饰,这是因为它们价格高而且结构性能差,比如其抗拉强度和硬度都较低.玻璃自从有了覆盖建筑物的小洞口的玻璃以来人们一直在使用明亮的窗户.玻璃能使光线射入房间同时还能隔绝外界恶劣气候.它通常是由硅和硅酸盐混合制成,因而极易破碎.现代玻璃幕墙可以用来覆盖整个建筑物表面,在空间框架中也可以玻璃来覆盖大跨度屋面结构.陶瓷陶瓷制品有瓷砖和固定设备等,陶瓷最常用作为固定设备或建筑物表面装饰.陶瓷曾经是一种特殊的窑中烧制的粘土陶瓷,但是它已经发展为一种技术含量更高的材料.塑料塑料这一术语包括一系列人造或者半人造有机缩合或聚合物,只要它们能模制或挤压成为物体、膜或者纤维即可.其名来自于在半液态时的延展性.塑料的耐热性、硬度和弹性千差万别,结合此适应性,塑料成分的一致性和其较轻的自重使其几乎可以用于各行各业.纤维织物帐篷曾经是游牧民族住所首选,这其中包括两种著名的形式,即圆锥形帐篷和蒙古包.随着抗拉结构的出现,帐篷已经发展成为以后总主要的结构技术.现代建筑物可由柔性材料制成,并由一种钢缆体系或者内部气压支撑.第二课抗拉强度抗拉强度是使材料发生断裂或者产生永久变形的应力.材料的抗拉强度是一种延展特性,因此它并不取决于时间的尺寸.但是它取决于试件的制备、测试环境的温度和材料温度.抗拉强度以及弹性模量和抗锈蚀性都是用于各种结构和机械装置的工程材料的重要参数,对于各种材料,如合金、复合材料、陶瓷、塑料盒木材等都规定了其抗拉强度.有三种抗拉强度屈服强度,是材料从弹性变形到塑性变形转化时的应力极限强度,是材料承受拉伸、压缩或者剪切时可以承受的最大应力,是应力应变曲线上的最大应力断裂强度,与应以应变曲线上的断裂点相对应的应力各种抗拉强度如下面的低碳钢的应力应变图（Fig.T1.1a)所示：金属材料在达到屈服点之前具有线性应力应变的关系.如图Fig.T1.1a所示.由于应力作用区的碳原子相互作用和错位,有一些钢材在屈服强度后出现应力下降现象.冷加工钢材和合金钢并无这种效果.大多数金属的屈服点不是那么明确.应力低于屈服强度是,在卸载之后变形可以完全恢复,材料将返回到期初始形状.如果应力超过屈服点,则变形就是不可恢复的,材料不会恢复到其最初始的形状.这种不可恢复的变形称为塑性变形.对于许多应用来讲,塑性变形是不能接受的,因而将屈服强度作为设计极限强度.过了屈服点之后,钢材和许多其他延性金属将经历一段应变硬化的过程,即在达到其极限强度之前随着应变的增长,应力再次出现增长.如果材料是在这一点上卸荷,应力应变曲线将与起点和屈服点之间的曲线相平行.若是重新加载,它将会按照卸载曲线重新达到极限强度,并成为新的屈服强度.当将金属材料加载到其屈服强度之后,它将发生颈缩,即截面面积由于塑性流动而开始减小.当颈缩很大时,可能导致工程应力应变曲线关系逆转变化,即因为几何效应而使应力减少应变增加.这是因为工程应力应变是在假设发生颈缩前原横截面积的基础上算得的.如果此曲线是以真正的应力和应变描出,即真正的应力是按减小后的截面修改后得到的,它将总是上升的而没有下降段.在材料受压加载中没有观察到颈缩现象.工程应力应变曲线的峰值应力称为极限强度.颈缩过后,材料将被拉断,所储蓄的弹性能量将以声和热的形式释放出来.材料断裂时的应力称为材料的抗拉强度.延性金属没有明确定义的屈服点,通常将屈服强度定义为“0.2%残余应变”相对应的应力值.0.2%残余应变对应的屈服强度可以通过残余应变为0.2%的横坐标,以初始斜率画平行直线与应力应变曲线的交点来确定.一条典型的铝的0.2%残余变形的应力应变曲线如图T1.1b所示.脆性材料比如混凝土和碳纤维是没有屈服点的,没有应变硬化,这意味着最终的强度和断裂强度是相同的.某一特殊的应力应变曲线如图T1.1c所示.典型的脆性材料不显示任何的塑性变形,而且在弹性变形阶段破坏.脆性破坏的特征之一是,这两个部分可以被重新组合而形成与原始构件相同的形状.典型的脆性材料的应力应变曲线是线性的.测试几个相同的试件会有不同的破坏应力.下面描述的是一典型的在高于玻璃转化温度以及低应变率下所测试的脆性聚合物应力应变曲线.一些工程陶瓷在应力低于破坏应力是表现出较差的延性,但是曲线的初始部分是线性的.抗拉强度是用材料单位面积可以承受的力的大小来衡量的.在SI单位制中,单位是牛顿每平方米或者帕斯卡,可以加上适当的前缀.非十进制单位是磅每平方英寸.北美工程师通常使用该协会的单位是兆帕.一兆帕是每平方英寸145.037738英镑的力.对于例如岩石、砼、铸铁或土壤的脆性材料,抗拉强度与抗压强度相比可以忽略不计,许多工程应用中假设为0.玻璃纤维比钢具有更强的抗拉强度,但是大部分玻璃通常没有,这是由于材料应力强度因子缺陷.由于样本尺寸较大,该缺陷大小也增加.一般说来,一个绳索抗拉强度总是比其单个纤维抗拉强度低.第三课梁梁是一种能够通过抵抗弯曲变形来承受荷载的构件.由于外部荷载、自重和外部反应使梁产生弯曲的力都称为弯矩.梁一般可以承受竖直方向的重力荷载,也能承受横向荷载（例如由地震或风引起的荷载）.由梁所承受的荷载被传至柱、墙或大梁,大梁再将力传至其附近的受压结构构件.在轻型框架结构中次梁安置在主梁上.梁的性能由它们的横截面形状长度和材料所决定.在现代建筑中,梁一般是由钢材、钢筋混凝土或木材制成.最常见的一种钢梁是工字梁或者宽翼缘梁（也被称为通用钢梁）它们通常用在钢结构建筑或者桥梁结构当中.其他常见的梁的形状还有槽型、箱型梁（空心结构截面梁）、管型截面和L型弯矩的影响因素在本质上讲,由于施加在梁上的荷载,梁通常要承受压力、拉力和剪力.一般而言,在重力荷载作用下,原梁上缘长度会略有减少而形成一较短的弧线,从而受压；而同样长度的原下缘则略有伸长而形成一较长的弧线,从而受拉.介于梁上缘和下缘中间部位的梁轴线的原厂与弯曲弧线长度相等,它既不受压也不受拉,从而确定了中性轴的位置.在支撑处,梁承受剪力.有些钢筋混凝土梁是完全受压的.这些梁就是预应力钢筋混凝土梁,在制作时就希望它们在荷载作用下能够产生压力而不是拉力.先张拉高强度钢筋,再将砼浇筑于其上,然后,当混凝土开始养护时,放松梁中的钢筋,梁便受到偏心压力的作用.这种偏心压力时梁产生内部弯矩,从而提高了梁的抗弯承载力.它们通常用在高速公路的桥梁中.梁的结构分析的主要工具是欧拉伯努利梁方程.其他的确定梁的挠度的数学方法由虚功法和转角位移法.工程师对确定梁的最大挠度最感兴趣,因为梁有可能与玻璃之类的易碎材料接触.出于美观方面的考虑,梁的挠度要减小到最小.一个可见的下垂梁,即使在结构上是安全的,也不能忽视,要避免产生较大的挠度.刚度较大的梁（更高的弹性模量）在荷载作用下产生的挠度更小.确定梁的应力的数学方法有力矩分配法,柔度法和刚度法.一般形状在钢筋混凝土建筑物中,大多数梁的截面形状是矩形,但是最有效的截面形式是通用梁.将大多数材料放置于距中性轴（对于通用梁来说就是其对称轴）较远的位置增大了梁截面的二次矩,这反过来也增大了梁的刚度.在一个方向受弯时,通用梁是最有效的截面形式：上下看起来都如工字型.如果柱子是在任何方向都受弯时,最有效的截面形式是圆筒状或者管状.但对于单向受弯来说,通用梁就是首选.有效意味着对于相同的截面面积,当承受相同的荷载时,梁的挠度最小.梁的其他截面形式,例如L型梁、槽型梁或者管状梁,当工程中由特殊要求时也会使用.第六课结构分析的基本原理结构分析的主要目的是确定由外荷载引起的结构内力和变形,结构设计包括以适当的方法选定结构形式、确定荷载和构件尺寸以便使所组成的结构能在设计极限状态内支承各种荷载.结构模型是对真实结构的理想化.它尽可能准确反映材料、结构细部构造、荷载及边界条件的真实性能.结构通常以三维形式出现,对于不知规整的仅受对称荷载作用的矩形结构,可以将其理想化为布置在正交轴上的二维框架.如果一个结构的构件处于同一平面,就称为二维结构或者平面结构,结构的特点就是两个或者更多构件相连接的点.梁是仅受到与其纵轴相交且只引起弯矩的荷载的构件.拉杆就是仅受拉力作用的构件,而柱式仅受轴向压力作用的构件.桁架是由设计成只受轴力作用的构件所组成的结构体系.如果结构体系的节点能够传递弯矩,则称为框架,并假定其构件既能承受弯矩,也能承受轴力和剪力.边界条件铰接点不传递力矩.假定它是无摩擦的,从而能使构件相互转动.滚轴支座能使与刚性表面所连接的构件相对于此表面自由转动,而且能沿着平行于此表面的任何一方向自由平动,但是不能沿着其他方向平动.固定支座不允许在任何方向上发生转动或者平动.转动弹簧能提供一些转动约束,但是不能提供任何平动约束.位移弹簧能在其变形方向上提供部分约束作用.荷载及反力量值和作用位置都不发生变化的荷载称为永久荷载,也称为恒载.它们可以包括结构自重和其他一些荷载,如墙壁、楼面、屋面和永久荷载固定于结构上的管道和设备.作用方向或者量值发生变化的荷载称为可变荷载,常将它们称为活荷载或者外加荷载,可包括由施工、风、雨、地震、雪、爆炸和温度变化等引起的荷载以及那些可以移动的荷载,如家具和储藏的材料.积水荷载由积累速度大于流离速度的雨水或者积雪在屋顶上产生的.风荷载是作用于迎风面的压力或者作用于背风面的压力或者吸力.冲击荷载是由突然施加的荷载或者由移动荷载的变化引起的,通常取作为活荷载的一个分量.当受外力作用时,如果一个原来静止的结构受外力作用后仍保持静止,则称其处于静力平衡状态,外力与支撑反力的合力为0.如果一个结构在一个力系的作用下处于平衡,那么它必须满足一下六个方程（T6.1）.以上方程的求和是关于x、y和z轴方向上所有的分力和弯矩进行的.如果一个结构仅受处于一个平面上的力的作用,以上方程简化为（T6.2）.在固定支、铰支座和滚轴支座上分别由三个、两个和一个未知反力.对于一个特定结构,如果其总反力分量个数