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Philosophy of structural design

A structural engineering project can be divided into three phases: planning, design, and construction.

Structural design involves determining the most suitable proportions of a structure and dimensioning the structural elements and details of which it is composed. This is the most highly technical and mathematical phase of a structure engineering project, but it cannot-and certainly should not-be conducted without being fully coordinated with the planning and construction phases of the project. The successful designer is at all times fully conscious of the various considerations that were involved in the preliminary planning for the structure and, likewise, of the various problems that may later be encountered in its construction.

Specially, the structural design of any structure first involves the establishment of the loading and other design conditions that must be resisted by the structure and therefore must be considered in its design. Then comes the analysis (or computation) of the internal gross forces (thrust, shears, bending moments, and twisting moments),stress intensities, strains, deflections, and reactions produced by the loads, temperature, shrinkage, creep, or other design conditions. Finally comes the proportioning and selection of materials of the members and connections so as to resist adequately the effects produced by the design conditions. The criteria used to judge whether particular proportions will result in the desired behavior reflect accumulated knowledge (theory, field and model tests, and practical experience), intuition, and judgment. For most common civil engineering structures such as bridges and buildings, the usual practice in the past has been to design on the basis of a comparison of allowable stress intensities with those produced by the service loadings and other design conditions. This traditional basis for design is called elastic design because the allowable stress intensities are chosen in accordance with the concept that the stress or strain corresponding to the yield point of the material should not be exceeded at the most highly stressed points of the structure. Of course, the selection of the allowable stresses may also be modified by a consideration of the possibility of failure due to fatigue, buckling, or brittle fracture or by consideration of the permissible deflections of the structure.

Depending on the type of structure and the conditions involved, the stress intensities computed in the analytical model of the actual structure for the assumed design conditions may or may not be in close agreement with the stress intensities produced in the actual structure by the actual conditions to which it is exposed. The degree of correspondence is not important, provided that the computed stress intensities can be interpreted in terms of previous experience. The selection of the service conditions and the allowable stress intensities provides a margin of safety against failure. The selection of the magnitude of this margin depends on the degree of uncertainty regarding loading, analysis, design, materials, and construction and on the consequences of failure. For example, if an allowable tensile stress of 20000 psi is selected for structural steel with a yield stress of 33000 psi, the margin of safety (or factor of safety) provided against tensile yielding is 33000/20000, or 1.65.

The allowable-stress approach has an important disadvantage in that it does not provide a uniform overload capacity for all parts and all types of structures. As a result, there is today a rapidly growing tendency to base the design on the ultimate strength and serviceability of the structure, with the older allowable-stress approach serving as an alternative basis for design. The newer approach currently goes under the name of strength design in rein-force-concrete design literature and plastic design in steel-design literature. When proportioning is done on the strength basis, the anticipated service loading is first multiplied by a suitable load factor(greater than 1), the magnitude of which depends upon the uncertainty of the loading, the possibility of its changing during the life of the structure, and, for a combination of loadings, the likelihood, frequency, and duration of the particular combination. In this approach for reinforced-concrete design, the theoretical capacity of a structural element is reduced by a capacity-reduction factor to provide for small adverse variations in material strengths, workmanship, and dimensions. The structure is then proportioned so that, depending on the governing conditions, the increased load would cause a fatigue or a bucking or a brittle-fracture failure or just produce yielding at one internal section(or simultaneous yielding at several sections) or cause elastic-plastic displacement of the structure or cause the entire structure to be on the point of collapse.

Proponents of this latter approach argue that it results in a more realistic design with a more accurately provided margin of strength over the anticipated service conditions. These improvements result from the fact that nonelastic and nonlinear effects that become significant in the vicinity of ultimate behavior of the structure can be accounted for.

In recent decades, there has been a growing concern among many prominent engineers that not only is the term “factor of safety” improper and unrealistic, but worse still a structural design philosophy based on this concept leads in most cases to an unduly conservative and therefore uneconomical design, and in some cases to an unconservative design with too high a probability of failure. They argue that there is no such thing as certainty, either of failure or of safety of a structure but only a probability of failure or probability of safety. They feel, therefore, that the variations of the load effects and the variations of the struct

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结构设计原理
结构工程项目可分为三个阶段:规划、设计、施工合同。
结构设计包括确定最合适的结构比例和标注结构元素和其细部组成的尺寸。这是结构工程中最高的技术和数学应用阶段,但它肯定——以及不应该在没有与结构工程项目的规划和建设阶段相协调的条件下进行。成功的设计者在任何时候都会考虑到设计初步规划的各种设想，同样，也会考虑在以后的建设中会遇到的各种各样的问题。

特别地,任何结构设计首先需要建立该结构将要承受的荷载和其他设计条件，而这些，都需要设计者在其设计中加以考虑。然后是分析（或计算）其内部荷载总值（推力，剪力，弯矩和扭矩），压力强度、张力,挠度,和荷载、温度、收缩、蠕变或其他设计条件的变化而引起的相应的反应。最后是组成部分和连接构件的配比和材料的选择以保证抵抗相应设计条件下产生的影响。规范是用来判断特定的组成部分是否导致预期的计算结果(理论、场和模型试验和实践经验)、直觉、和定论。对于过去常见的结构工程，例如桥梁和建筑，过去常用的设计方案基于这样的理论：通过比较该结构所允许的应力和结构功能荷载和其他设计条件产生的应力。这种传统的设计理论称为弹性设计,因为许用应力强度选择按照概念相对应的应力或应变材料的屈服点不应超过结构的最高压力点。当然,许用应力也会因为考虑到由于材料疲劳、屈曲、脆性断裂或结构的容许变形量而造成的破坏而进行相应的修改。
根据结构的类型的不同的条件，按假定的设计条件实际结构用分析模型计算得出的应力强度值与实际应力强度值可能会相去甚远。只要计算的应力强度可以被以前的经验解释，其对应的程度并不重要。实现功能的条件和允许的应力强度的选择提供了一个材料临界破坏的边界值。这个边界值的量级的选择取决于相关荷载、分析、设计、材料的不确定程度和结构破坏的结果。例如，如果选择20000 帕的许用拉应力作为屈服应力为33000帕的钢结构，用以抵抗拉伸屈服的安全边界值就是33000/20000,或1.65。
容许应力的方法有一个重要的缺点,它并没有为所有组成部分和结构类型提供一个统一的过载能力。导致在当代形成这样的趋势，强度极限和结构可靠性成为人们设计的理论依据，在设计把过去的许用应力的方法作为一个可变的理论基础。目前较新的方法叫做混凝土强度设计理论和钢结构塑性设计理论。当基础配比完成，结构预期的功能荷载就会通过合适的加载器施加在结构上 (大于1),它的大小取决于荷载的不确定性、它在使用周期内有可能的变形、以及对载荷、概率性、频率和特殊的连接构件所持续时间的综合因素。这种设计方法在钢筋混泥土的设计中,结构元素的理论承载力相应的减少了，这是由于材料的强度、工艺、和尺寸中较小的不利的变化。结构在一定使用条件下，任何附加的荷载都可能导致结构的疲劳、屈曲、或者脆性破坏，或者在一个内部结构上发生屈服（或几个部分的自发的屈服），又或者是导致结构弹塑性位移甚至是整个结构的破坏。

后一种方法的支持者认为,它导致了一个更现实的设计该设计能更精确地提供超过预期的功能条件下的强度边界值。这样的改进源于通过这样的设计理论，材料在屈服极限范围内具有重要意义的非弹性和非塑性效应可以被测得的事实。
近几十年来,有许多著名的工程师越来越关心的是不仅是“安全系数”的不恰当和不现实,还有基于这样的设计理念得出的设计理论所导致的过度保守而不经济的设计方案，和一些不保守却失败率过高的设计方案。他们认为没有所谓的确定性,失败或安全的结构只有一个失败的概率或可能性的安全。因此,他们认为应该从统计学的角度来了解变化的负载效应和结构阻力的变化，并且，估测结构的安全性和可靠性，将这种方法应用到每个结构的设计中也许并不可能。然而,在框架设计原理和规范中这些可以确定是可行的。非常可取的是，建筑法规和规范清楚的陈述了相关的因素和他们暗示的相应的可能性。

CAD进入分析
计算机辅助绘图可以比任何人绘图更快、更清晰、更准确。随着CAD发展越来越好，一系列的软件开始如雨后春笋般出现，这些软件整合了CAD和其他的结构分析软件，使得工程和绘图之间特定的界限消退得越来越快。

空间结构国际集团的董事长万德尔说：“ 在过去,设计和分析一直是你做的第一件事。CAD是分开做的。纽约·普莱恩维尤说：“现在我们正努力缩小之间的差异。”
他的公司已经开发了一个项目叫做空间结构计算机辅助设计(SSCAD)。工程师可以通过使用这个程序初步为结构设计数据。然后利用有限元方案进入许可荷载分析设计。从那时起SSCAD成为一个优化程序,接着成为了计算机辅助绘图包,万德尔说。“该程序选择最优尺寸和权衡每个组成部分,然后生成的图纸。”
它甚至可以与构筑建筑的机器相连接以控制机器。在做某些复杂的构件时,如空间框架使用的节点时,SSCAD会告诉机器让他们“我们需要的孔洞、尺寸及角度,” 万德尔说:“这个概念贯穿每个构件从设计到制造的过程。”

技术平台
最终,万德尔甚至更进一步的计划。他希望使SSCAD成为他所谓的“技术平台,”能够提供专业的技巧解决各种工程问题。“AUTOCAD正在取代铅笔之类的东西。但没有足够的人去想过,“我们将用电脑代替更多现在用手工做的事情”
“最大的收获不仅仅是拥有工程师方面的延伸。该软件项目应该能够根据经验做出判断和决策。应该是这样的场面：“哎呀,你做出的东西看起来像六年以前的，你想看看它吗?我希望能够跟电脑实现交流,而不是简单的使用它。这是下一个技术的飞跃。”
他的公司已经花费了5年多的时间和100多万美元开发SSCAD,威德尔说：“我打算用我的余生改进这个软件程序。剑桥的勒梅热勒顾问公司的合伙人弗雷泽辛克莱,看起来不那么雄心勃勃。他利用自己高层建筑设计空余的时间创造奇基塔系统程序,该系统通过收集大约100多个独立的项目数据用来设计、分析和绘制楼板框架。

楼板框架设计随着建筑设计的转变得以实质上的转变，并且，伴随着每次转变随之而来的就是不断地对每个设计内容进行重新分析和重新绘图。他说：“该项目的目标就是编译一个楼板框架程序来实现你在时间充裕的情况下用手工做出来的东西同样的精度和准确性，作为一个项目工程师，我创建奇基塔项目是因为我发现该领域用手工制作浪费了大量的时间。”
这个项目的独特之处在于,它不需要设计信息输入到一个数据库中。任何粗糙的设计可以绘制到电脑上,而奇基塔项目可以立刻从众多绘制的图纸中获得它所需要的图纸。就连项目创建之前绘制的旧图纸,都可以被奇基塔分析。辛克莱说：“奇基塔项目取得突破的那段日子，是我舍弃了原本作为项目的一部分的积分仪数据库，并意识到图纸本身可以作为一个数据库。”
程序的第一步是记录图纸，每个图纸的结构组成部分被电脑编号。接着工程师在图纸上添加形状，表示荷载。荷载可以是任意多边形形状,可以包含任意数量的空缺。然后像SSCAD,奇基塔将分析设计，给出它认为每个结构组成部分的最佳重量和尺寸。任何生产施工图一键完成。
系统允许工程师立即可以看到任何变化的影响,并且在需要的时候绘制新的图纸。辛克莱说：“当你开始做出调整的时候，总会有一种挥之不去的感觉那就是事情失控。人们不禁要问,lsquo;那是不是意味着从头再来?rsquo;奇基塔项目将追踪任何变化并反馈给你。”

异质工程

为了阻止程序决策力过于专制,辛克莱确保了设计师可以给奇基塔程序设置限制，他说：“我想，负责任的工程师能够进入并且在设计中定制自己的特性是很重要的。如果一个工程师拥有建筑权限,或想要改变梁的尺寸,他便可以修改设计。”目前,约束可以放在18设计的不同方面包括钢铁强度、深度、大小、起拱,湿负荷挠曲和其他。辛克莱说“随着程序项目的发展我将添加更多方面,”设计中约束可以施加在整个楼板上或者只是单个的组成部分。
这些约束正如设计规范立刻就可以打印在图纸上。任何文本可以被平移甚至省略。辛克莱说：“工程师不仅可以进入并改动设计,绘图员还可以改变图纸的外观。”
目前,奇基塔和SSCAD的使用只限于公司内部。对于那些由于没有资源而无法开发自己的软件项目的公司，则占据着连接CAD和结构分析软件的市场。
加州，卡尔斯巴德artecon公司的董事长吉姆bull;兰伯特说:“关于CAD和其他结构分析软件的集成是我们计划的下一代产品”， artecon公司占据着雅特迈特市场，雅特迈特拥有关系数据库管理系统,使得该系统内的信息可以用来做办公自动化任务,比如文字处理和电子表格,以及工程项目调度和计算机辅助绘图等。兰伯特说：“电子表格可以从CAD系统的图纸中获得份额清单， 你可以不必一遍又一遍的进入任何图纸。”

他目前正在扩大该系统以包括结构分析模块。他说：“现在我们正在开发的有限元程序,你明年初将能够看到框架的3 d模型并进行相应的分析。”到那时雅特迈特 CAD模块将能够在数据库根据设计信息制作图纸,而且，该系统的其他模块还能通过同样的数据制作发票、材料清单、合同以及其他的工程相关的文件。
对于那些投资办公自动化系统、、CAD软件包或结构分析程序的公司,丢弃或购买诸如此类的集成系统或许是不切实际的。很多软件设计师只是开发允许现有的程序集成在一起的系统。ANSYS的制造商，斯旺森公司的市场营销经理苏珊说：“根据我们所学足以知道人们总是在自己做的最好的领域足够坚持”。该公司已经通过实体建模增加了软件包建模设计能力,但却故意避开添加绘图功能的系统。

相反,该程序被设计来在初始化图形交换规范中接受和产生数据，该规范是一种标准的电脑显卡协议。巴特说： “一旦ANSYS设计和分析出一部分, 大多数CAD系统将接受IGES作为绘图输入，难的是做出好的设计，而绘图并不困难。”
同样, 桑达实业股份有限公司建筑公司软件子公司HOK-CSC已经决定不为自己公司开发任何结构分析程序。它开发了一个集成八个程序的网络来完成绘制图纸和完成文档设计,以及诸如此类的空间需求。
但是,工程系统一个公司的项目经理查克英格拉姆说：“市场上已经有足够好的结构分析程序,不再需要我们开发这类工具。”，相反,HOK公司正在编译一些软件为其已经发明的网络与商用的分析程序紧密相连。英格拉姆预计系统在今年年底可用。
时代变化
随着诸如组合CAD和结构分析程序的进一步发展，建筑工程的基本方式也在相应发生着变化。普渡大学的土木工程教授和计算机图形学土木的委员会成员Roert H. Lee说： “我担心那些并不拥有知识渊博的人可能得出结果,然后说,lsquo;这就是电脑计算出来的，这一定是对的。rsquo;当下存在这样的趋势人们习惯接受电脑计算的结果而忽略了自己检查的过程，甚至看也不看一眼。这就是我们怎样以另一个堪萨斯城凯悦酒店结束的。

组合CAD的存在让那些没有经验知识的人说：我们要做的就是买下这个程序，然后得意的宣称，嘿，我是一个工程师。该行业不得不小心控制。

的确教授的工作需要反思。将整个结构设计交给到一台机器让像辛克莱这样的工程师有点不安。他限制了奇基塔程序在地板框架设计和起草的过程中的一些功能，万德尔说：“感觉把结构的侧向分析等这样的工作交给计算机来做是不合适的。整个建筑的安全就取决于一台机器，你不能把这交给电脑来做。我知道电脑可以成为你交流的伙伴,但绝不是你的老板。”
用辛克莱的话来说：“尽管都承认只要有了合适的软件,很多原来有工程师来做的繁重工作，比如检查图纸以确定编号在正确的位置，现在都可以由绘图人员来做”

李也看到电脑程序使得一些过去必须有工程师来完成的工作现在也可以由绘图员来完成。他说：“现在的人们认为作为一个绘图员不得不改变自己的专业知识，一位高级绘图员将不得不寻找异常的设计，过去制图工作中他们的工作正在慢慢被取代，而他们不得不接受更多的训练。”
兰伯特发现绘图板两侧的人们——工程师和绘图员,有点担心电算化的变化迫使。但他预计 ,到20世纪90年代, 随着日益强大的机器价格在下降，实质上所有工程办公室将需要某种形式的集成CAD和分析系统来保持竞争力。他期待着这一天。兰伯特说：“这将是激动人心的时刻。”

第二章
粗粒土
砾石的沉积成分不仅反映了其沉积区域的岩石成分，而且还受到其形成区域的成型媒介和天气因素的影响。后两个因素因其变化的趋势而减少了不稳定的岩石成分的比例。地势也影响着沉积岩的性质，例如, 浮雕也影响砾石沉积物的性质，例如，低浮雕下砂石生产小并且卵石趋于形成化学惰性残基例如脉石英，石英岩，燧石和燧石。高地势，快腐蚀的地区容易形成颗粒较粗的，未完全形成的碎石。

金沙包括松散的矿物颗粒的混合物和岩石碎片。通常,他们的主要成分往往是一些矿物质,其中主要是石英。假定缺乏的材料成分一方面组成了砂砾的过度等级，另一方面形成了淤泥(见格洛索普和斯肯普顿)。金沙结构成熟度存在明显的差异。

2.1土壤结构
土壤结构和织物造就了土壤的工程行为，同时，反过来，土壤结构和织物也是地质条件沉积的结果和其应力历史的反映。土壤的宏观结构，包括它的岩床，分层，裂纹，关节和张裂缝，所有这些都对土体抗剪强度和排水性能有决定性的作用。沙砾的微观结构涉及其分子构成，而这，又包含了填料的概念。换句话说，涉及到骨料分子的空间密度。（见卡恩）

填料的概念性处理始于对同等大小的球形颗粒的排列的考虑。而这些不可以在无序或系统的方式进行。最接近系统填料的是菱形填料，而最开放的是立方填料，两者孔隙度度近似为26%和48%。换句话说,良好排序的和完全无粘性聚集体的等围颗粒其空隙率可为约0.35和1.00极值之间的范围内。如果孔隙比超过一定范围沙砾的微观结构将崩溃或者处于亚稳定状态。如果大量同等大小的球形颗粒被布置成任意系统填料的形式，那么必然会有较小直径率的球形颗粒通过大颗粒之间的通道进入其缝隙, 例如，在菱形的填料中这个临界直径是0.154 D（D是较大的球型颗粒的直径）。然而,在粗粒的沉积岩中存在大量的紊乱，并且，根据格拉顿和费雷泽的研究显示，在任何沉积岩中，都存在紧密和疏松的填料属地。

单个的晶粒结构中，独立的粒子显得笨重且孔通道的直径大小和较小颗粒粒子的直径具有相同的数量级。几乎没有有效的粒子聚集

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