结构工程

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 与汽车或烤面包机的生产相比, 在那里成千上万的相同的复制品和广泛的原型测试是可能的, 每个土木工程结构是独一无二的, 非常昂贵的再生产 (图 1)。因此, 土木工程师必须广泛地依靠分析建模来设计其结构。这些模型是对现实的简化抽象, 用来检查性能标准, 特别是与强度和刚度有关的准则是否不被违反。为了完成这项任务, 工程师需要两个组件: (a) 一组理论, 解释结构如何响应负载, 即力和变形如何相关, 以及 (b) 在这些理论中区分的一系列常量如何材料 (如钢材和混凝土) 的反应不同。 图 1: 世贸中心 (纽约市) 交通枢纽。 现今大多数工程设计都采用线性弹性原理来计算结构的力和变形。在弹性理论中, 需要一些材料常数来描述应力与应变的关系。应力被定义为单位面积的力, 而应变被定义为当受力除以该尺寸的原始大小时的尺寸变化。这些常数的两个最常见的是弹性模量 (E), 它将应力与应变有关, 而泊松比 (ν) 是横向与纵向应变的比值。本试验将介绍在建筑材料实验室中用于测量力 (或应力) 和变形 (或应变) 的典型设备,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 材料对人类发展的重要性, 清楚地被世界历史的早期分类所捕捉到石器时代、铁器时代和青铜时代等时期。引进西门子和麦地那工艺生产钢在 mid-1800s 是一个最重要的发展, 在发动工业革命, 改变了大部分欧洲和美国在下半年的19年.世纪从耕地社会到今天的都市和机械化的社会。钢, 在其几乎无限的变化, 是我们周围, 从我们的厨房用具, 汽车, 到生命线, 如电力传输网络和供水系统。在这个实验中, 我们将研究两种类型的钢的应力-应变行为,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 铝是我们生活中最丰富的材料之一, 因为它无处不在, 从苏打罐到飞机部件。它的广泛使用是相对最近 (1900AD), 主要是因为铝不发生在其自由状态, 而是与氧气和其他元素相结合, 往往以 Al2O3的形式。铝最初是从热带国家的铝土矿矿床中获得的, 其精炼需要非常高的能耗。生产优质铝的高成本是一个非常广泛的回收材料的另一个原因。 铝, 特别是当合金与一个或多个共同的元素, 已越来越多地用于建筑, 运输, 化学和电气应用。如今, 铝在其作为结构材料的使用中仅被钢材所超越。铝是可利用的, 像大多数其他金属一样, 作为扁轧产品, 挤压, 锻件和铸件。铝提供了优越的强度-重量比, 耐腐蚀, 易于制造, 非磁性的性质, 高的热和导电性,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 结构中可能发生的一种更隐蔽的故障类型是脆性断裂, 主要是由于质量较差的材料或材料选择不当造成的。脆性骨折往往发生突然, 没有大量的材料不适应性;例如, 考虑一下骨折。这些故障通常发生在由于三维载荷条件下, 由于局部应变浓度高, 且没有提供逻辑和直接力路径的情况下, 材料无法开发剪应力的情况下。设计师。在1994北岭地震后的多层钢结构中, 观测到了这种类型的故障。在这些建筑物中, 一些关键焊缝断裂而不显示任何韧性行为。裂缝往往发生在连接附近, 或在基材件之间的接口, 因为焊接往往引入局部不连续性, 材料和几何, 以及三维应力由于冷却。 当指定一个结构的材料, 它将看到非常低的工作温度 (即阿拉斯加管道) 许多装载周期 (在州际公路上的桥梁), 或在焊接被广泛使用, 有必要有一个简单的测试,表征材料的健壮性, 或对骨折的抵抗力。在土木工程领域, 测试是在本实验室描述的冲击式 V 型切口试验。在冲击载荷作用下, 该锤式 V 型切口试验旨在提供一种非常简单的测量材料吸收能量的能力。

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 硬度测试是工程师可获得的最有价值的机械测试之一, 因为它既简单又相对便宜, 对于它所产生的大量信息和数据。硬度测试, 一般以表面穿透试验的形式, 比拉伸试验更快, 破坏性更小。硬度提供了一个线性关系与抗拉强度在广泛的强度, 许多材料, 如钢材。硬度测试是经验性的, 而不是从理论推导出来的, 因为结果混为一谈了许多不同材料性质 (杨氏模量、屈服强度等) 的影响。 硬度是一种材料的特征, 用于描述当应用已知的力时材料将经受多少塑性变形 (屈服)。你可以用三的方式描述硬度: 划痕、压痕和回弹硬度。硬度 (划痕) 试验的一个共同的早期例子是 Mohs 标度 (1820), 为矿物获得, 并且滑石有价值1和金刚石价值10。在压痕测试中采用罗克韦尔方法, 小平头用于不同的负载。最常见的是洛克韦氏硬度 B (HRB), 它使用 1/16 in. 硬化钢球压连同100公斤重量, 和洛克韦氏硬度 C (人权委员会), 它使用一个钻石锥压和150公斤重量。HRB 测试是为低范围硬度的材料, 如铝, 黄铜和软钢,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 在土木工程的设计中, 重要的是要交付不仅是在意想不到的负荷下安全的结构, 而且在合理的经济成本下, 在日常负荷下提供优异的性能。后者通常与材料的最低使用、易于制造和在现场的快速施工联系在一起。钢构件的结构由于材料的巨大强度和构件和连接的广泛预制, 可以很经济地实现, 这有助于最大限度地提高现场施工速度。一般情况下, 钢结构的骨架将非常细长, 与钢筋混凝土结构相比。虽然其张力的行为主要由材料的强度来控制, 但在压缩过程中钢是受所有材料-屈曲的另一种失效模式所控制的。这种行为很容易证明, 按下一个细长的木尺, 在压缩载荷下会突然移动侧身和失去承载能力。这种现象将发生在任何结构细长的成员。在本实验室, 我们将测量一系列细长铝柱的屈曲能力, 以说明这种破坏模式, 随着时间的推移, 导致了许多灾难性的失败,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 现在很少有一整年没有发生重大地震事件在世界的某处肆虐。在某些情况下, 像印度尼西亚的2005的震后疼痛地震一样, 这一损失涉及了六个数字中的大片地理区域和伤亡人数。总的来说, 地震的数量和强度并没有增加, 但是, 建筑环境的脆弱性正在上升。随着地震活动区周围的无管制城市化, 如环太平洋 "火带", 低洼沿海地区的海平面上升, 以及能源生产/分配和数字/电信的日益集中网络关键节点在脆弱地区, 很明显, 抗震设计是未来社区恢复能力的关键。 在过去的50年里, 设计结构来抵御地震破坏的进展很大, 主要是通过1964的新泻地震后的日本工作, 以及1971圣费尔南多河谷地震后的美国。这项工作沿着三条平行轨道前进: (a) 旨在发展改进的施工技术以尽量减少损害和生命损失的实验工作;(b) 基于先进几何和非线性材料模型的分析研究;(c) 将 (a) 和 (b) 中的结果综合成设计代码规定, 以提高结构抵御意外负荷的能力。 在实验室环境中进行地震测试往往是困难和昂贵的。测试主要是使用以下三技术进行的: 准静态测试(QST),...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 1967年, 西弗吉尼亚州的银桥倒塌, 使研究民用基础设施项目中金属疲劳的重要性受到了关注。俄亥俄河上的 eyebar 链吊桥在傍晚的高峰时段倒塌, 造成46人死亡, 原因是单 eyebar 的故障有0.1 英寸小的缺陷。在反复加载条件下, 缺陷达到了临界长度, 并以脆性的方式导致了坍塌。这一事件引起了桥梁工程界的关注, 并强调了测试和监测金属疲劳的重要性。 在正常的服务条件下, 材料可以受到许多服务 (或日常) 负载的应用。这些载荷通常是结构极限强度的 30%-40%。然而, 经过反复荷载的累积, 在极大地低于极限强度的情况下, 材料可以经历所谓的疲劳失效。疲劳破坏可以突然发生, 没有明显的前期变形, 与裂纹扩展和快速繁殖有关。疲劳是一个复杂的过程, 有许多影响疲劳阻力的因素 (表 1)。这种复杂性凸显了对结构进行例行和彻底检查的整体需要, 如桥梁、起重机和几乎所有类型的车辆和飞机。 强调条件 材料性能 环境条件 应力类型 应力振幅 平均应力 频率

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 高分子材料广泛应用于民用结构中, 使用范围从非常软的密封剂到更多的水和废水系统中的刚性管道。聚合物的最基本的定义是一个具有重复亚基的分子结构。术语高分子来源于希腊语, 其中 "聚" 指的是许多, 而 "-" 指的是基本单位。单体或单一市场汇率是特定的重复单位。与聚合物, 结构, 包括碳骨干的长度和变化的灵活性, 将决定聚合物的性质。聚合物分为3个子类: 塑料, 弹性体和刚性棒聚合物。塑料进一步细分成热固性, 不软化加热和热塑性塑料, 这是软化时, 加热和硬化冷却。此外, 热塑性塑料大多是线性或分枝聚合物, 几乎没有交联, 而热固性陈列3D 结构和有广泛的交联。弹性体, 或橡胶, 是长, 盘绕链, 可以拉伸到两倍的原始长度, 但将收缩回原来的大小时释放, 而刚性棒聚合物不伸展和是强大的, 晶体结构。 在本实验室, 我们将研究几种不同的高分子材料, 包括高密度聚乙烯 (HDPE)、聚氯乙烯 (PVC)、尼龙和甲基丙烯酸甲酯 (丙烯酸),...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 纤维增强高分子材料 (FRP) 是由聚合物树脂中嵌入的纵向纤维形成的复合材料, 从而创建了沿一个或多个方向排列的纤维的聚合物基体。以其最简单的形式, FRP 材料中的纤维以有序、平行的方式排列, 从而传授各向异性材料的特性, 这意味着材料在两个方向上的行为会有所不同。与纤维平行, 材料将非常强烈和/或僵硬, 而垂直于纤维将是非常微弱的, 因为力量只能归因于树脂而不是整个基体。 这种单向配置的一个例子是商用玻璃钢钢筋, 它模仿传统的钢筋在钢筋混凝土结构中使用。FRP 材料既用作独立的结构, 如行人桥和楼梯, 也用于加强和修复现有结构的材料。薄, 长的板材经常 epoxied 到现有的混凝土结构增加力量。在这种情况下, 玻璃钢棒作为外部加固。玻璃钢棒材和板材更轻、更耐腐蚀, 因此他们在桥面和停车库中寻找应用, 在那里, 脱冰板条会导致传统钢筋的快速变质。 在本实验中, 对单向试样的拉伸行为进行了研究, 强调了其极限强度和变形能力。该试样的行为预计将是弹性的, 直到失败,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 混凝土和沥青是目前最常用的建筑材料。混凝土是由水泥、水、空气、粗骨料和细骨料组成的复合材料。细骨料一般为砂, 粗骨料为天然或破碎的岩石。化学外加剂, 以修改某些特定的性质也经常使用 (即, 水剂, 使混凝土流体在铸造过程中)。沥青混合料主要由沥青、粗骨料和细骨料组成, 此外还有一些乳化剂和其他添加剂用于改善放置过程中的粘度。 在混凝土和沥青混合料中, 骨料构成了混合体积的一个非常重要的部分, 因为经济要求尽量减少水泥和沥青的用量。通常可以识别两种类型的骨料: 粗骨料, 定义为大于 4.75mm (岩石) 的颗粒, 以及细骨料, 由较小的颗粒组成 (砂)。骨料的其他重要特征是刚性、耐用和化学惰性的混凝土砂浆或沥青。聚合体的目的是填充, 但它们不打算发挥关键作用的任何材料的行为。但是, 骨料的刚度和强度必须高于混凝土砂浆或沥青, 以免成为控制阶段。 为了有效的性能, 在骨料组合设计中需要考虑骨料的若干特性, 从其机械和化学性质到其尺寸分布。此外, 在放置时, 两种混凝土混合物的行为都非常不同, 与牛顿流体类似的材料,...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 混凝土是最常见的建筑材料之一, 包括两个阶段: 砂浆阶段, 包括混凝土, 水和空气, 和骨料相组成的粗和细骨料。在设计混凝土组合时有两个关键的考虑因素。首先, 混凝土必须是可行的, 易于铸造的形式, 在其新鲜的情况下, 即使在形式包装钢筋。在这种情况下, 混凝土的流变性是重要的。第二, 混合料必须在28天 (或类似规定的时间) 内生产出具有一定强度的硬化混凝土, 并提供良好的可维护性。 在本实验中, 本文将探讨一种以试批法命名的混凝土配合比的方法。所生产的混凝土将用于进行典型的试验, 以确定新鲜混凝土的主要特征, 包括坍落度, 流动性, 空气含量和密度。试验批处理方法是一种简单、经验性的混合设计方法。 本实验的目的是: (1) 使用试验批次组合法确定骨料、水泥和混凝土的水的最佳配比, 以满足特定的坍落度要求, (2) 在实验室中学习混凝土搅拌实践环境, (3) 观察新鲜混凝土的特性, 并 (4) 准备 4 "x8"...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 施工项目中有两个不同的阶段, 涉及混凝土。第一阶段涉及配料、运输和浇注新混凝土。在这个阶段, 材料是粘性的, 而工作的实用性和 finishability 是关键的性能标准。第二个阶段发生在水化过程开始不久后, 混凝土被放置在形式, 和混凝土将设置和开始硬化。这一过程非常复杂, 并非所有阶段都得到了很好的理解和描绘。然而, 混凝土应达到其预期的设计强度和刚度在约14至28天后铸造。在这一点上, 将进行一系列的试验, 对混凝土气缸浇筑时, 确定混凝土的抗压强度和抗拉强度, 以及有时, 其刚度。 本实验的目的是三重的: (1) 进行压缩气缸试验, 确定7、14和28天的混凝土强度, (2) 确定弹性弹性模量为28天, (3)...

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 在以前的实验室中, 重点讨论混凝土的压缩, 我们观察到混凝土可以承受很大的应力在单轴压缩力。然而, 观测到的故障不是压缩故障, 而是沿剪切面出现最大拉力的故障。因此, 重要的是要了解混凝土在紧张的行为, 特别是它的最大强度, 这将支配其终极和服务行为。从最终的观点来看, 张力和剪切应力的组合会导致开裂和立即和灾难性的失败。因此, 在结构应用中, 混凝土很少被用于无加固条件;大多数混凝土构件将用钢加固, 这样裂缝就可以停止, 裂缝宽度也会受到限制。后者从适用性的角度来说很重要, 因为控制裂缝宽度和分布是耐久性的关键, 因为这将阻碍除冰盐和类似的化学物质穿透和腐蚀钢筋。 本试验的目的是: (1) 进行拉伸劈裂柱试验, 确定混凝土抗拉强度, (2) 进行梁试验确定混凝土抗拉强度, (3) 说明钢筋对行为通过比较轻的增强梁的行为与未加筋的。

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂 木材是一种无处不在的材料, 已在建筑中使用最早的时间。木材是一种可再生、可持续的材料, 具有很大的审美价值。今天, 可能有更多的建筑与木材建造比任何其他结构材料。许多这些建筑都是 singlefamily 的住宅, 但许多较大的公寓楼, 以及商业和工业建筑, 也使用木结构。 木材在建筑中的广泛使用, 从经济和美学两方面都具有吸引力。建造具有最低数量设备的木结构建筑的能力, 使 woodframe 建筑的成本与其他类型的建筑保持竞争力。另一方面, 建筑的考虑是重要的, 裸露的木材的美丽和温暖是很难与其他材料匹配。 本试验的目的是对三种木材进行拉伸和压缩试验, 研究其应力应变行为, 并对木梁进行四点弯曲试验, 以确定其弯曲性能。在四点弯曲试验中, 简支梁在其第三点加载两个相等点荷载, 导致中心部分具有恒定力矩和零剪切。这是一个重要的测试, 因为木材结构元素经常用于地板系统,...