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三明治、头盖骨与欧拉博士:悲惨的失败与结构的奥秘

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:但是,严格说来,可简单且直接归咎于压缩载荷作用的原子间化学键的破坏,则一般不存在类似的情形。当固体被压缩时,它的原子和分子被压得更靠近彼此,在任何正常的情况下,原子间的排斥作用会随压应力的增加而无限增大。因此,承压结构容易变得不可靠,而对压缩破坏的研究或多或少也是在研究摆脱困境的途径。

三明治、头盖骨与欧拉博士:悲惨的失败与结构的奥秘

由于我们天生脆弱,实难永远直立。

——主显节后第四个周日的短祷文

正如人们预料的那样,结构在压缩载荷作用下的失效方式同在拉伸状态下的断裂方式有实质性的区别。当我们让一个固体处于拉伸状态时,我们当然会将它的原子和分子拉开得更远,将材料聚合到一起的原子间化学键会因此伸展,但它们只能被安全地拉伸到有限的程度。抗拉应变超过约20%的话,所有化学键就会变得很弱,最终会断开。虽然拉伸断裂过程的实际细节是复杂的,但可以宽泛地表述为,当足够数量的原子间化学键被拉伸超过它们的极限时,材料自身就会断裂。当材料被切断时,也是同理。但是,严格说来,可简单且直接归咎于压缩载荷作用的原子间化学键的破坏,则一般不存在类似的情形。当固体被压缩时,它的原子和分子被压得更靠近彼此,在任何正常的情况下,原子间的排斥作用会随压应力的增加而无限增大。仅当它承受像天文学家口中的“矮星”这类恒星的巨大引力时,原子间的抗压强度才会崩溃,随之而来的将是噩梦般的后果。[1]

尽管如此,地球上的许多普通结构的破坏,确实归咎于“压缩”。在这类失效中实际发生的事情是,材料或结构找到了某种逃避过高压应力的办法,通常靠的是“脱身”于载荷作用,即侧向逃脱,从一条实际上总是可用的路径逃逸。从能量的角度看,结构“想要”去掉多余的抗压应变能,它凭借的是在该情境中可行的任意能量转换机制。(www.xing528.com)

因此,承压结构容易变得不可靠,而对压缩破坏的研究或多或少也是在研究摆脱困境的途径。如同有人可能猜想的那样,有多种不同的方法能达成这个目标。结构所使用的逃脱方法自然取决于它的形状、比例和材料。

我们已经用一定的篇幅探讨了砖石结构。虽然建筑物本质上就是承压结构(砖石结构必须一直维持在承压状态下),但它们根本不是因受压而失效。矛盾的是,它们只能因受拉而失效。当这种情况发生时,墙壁通常会形成铰接点,这会导致它们倾斜并倒塌。虽然拱比墙更稳定也更可靠,但它们有时能产生4个铰接点,之后通过折叠自身变为一堆瓦砾,来减小应变能和势能。在任意情况下,如我们在第9章计算的那样,砖石结构中压应力的实际值往往非常低,远低于材料公认的“破碎强度”。

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