工程结构设计和选择材料的区别，你知道吗？

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在工程结构设计和材料科学领域，强度和刚度经常被认为是测量和选择材料时的重要考虑因素。 但两者之间存在本质的概念差异，它们之间的联系对于保证结构的可靠性和安全性至关重要。 人们经常开玩笑，因为他们混淆了两者。

比如，某知名新能源汽车工程师在车展上介绍其车身钢材强度时，说出了一些让网友怀疑这位工程师的“专业性”的话。 他说，他们的车顶行李架纵梁是由两块1500Mpa的钢板相互叠加而成。 他们一起达到了3000Mpa的强度......

网友戏称：“……太神奇了，整辆车的综合力量有几十万兆帕！”

工程师开上述玩笑的根本原因是他把“强度”和“刚度”混为一谈，概念不清。

那么到底什么是强度，什么是刚度呢？ 两者有何关系？ 强度越大是否意味着刚度越大？

在回答上述问题之前，我们首先要明确几个相关的力学术语：应力、应变、弹性模量、截面惯性矩——

应力σ：作用在面积S上的力为F，则应力σ=F/S，（即作用在单位面积上的力）。

应变ε：长度为L的构件在力作用下的变形长度为L'。 其拉伸或压缩变形为ΔL=LL'，则其应变ε=ΔL/L。

弹性模量E：弹性模量是指材料在拉力或压力作用下的应力σ与相应应变ε的比值。 E=σ/ε，即单位应变对应的应力。 弹性模量是材料的基本物理量之一。

截面转动惯量I：截面转动惯量是指截面上各单元的面积与截面上各单元到指定轴的距离的平方的积分。

。 截面惯性矩是衡量构件截面抗弯能力的参数。 转动惯量越大，物体越难弯曲，表明其抗弯曲能力越强。

下图以矩形截面为例：构件截面的宽度为b，高度为h，则其绕x、y中性轴的截面惯性矩为：

。

矩形截面图

有了上面的基础知识基础，我们开始本文的主题——什么是强度和刚度。

强度：是指材料抵抗变形和破坏的能力。 更具体地说，强度是指材料在外力（或载荷）作用下所能承受而不破裂的最大应力。 强度是决定材料在负载下是否能够保持完整性的关键参数。

根据外力作用方式的不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度等。如壁厚≤16mm的Q235钢材，其抗拉、抗压、抗弯强度设计值f=215Mpa，抗剪强度设计值fv=125Mpa。

刚度：更准确地说，是由相同或不同材料组成的“部件的刚度”。 它是指构件在受到外力作用时抵抗变形的能力。 它与材料的变形量成反比。 其外力表达式为：

。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.5.2-1条框架结构相邻层的侧向刚度比公式由此推导出来：

高刚度意味着材料在相同的外力作用下变形较小。 因此，刚度是影响结构或构件变形的重要因素。

构件刚度与材料之间的内在关系可以通过弹性模量（E）来衡量，如压缩（拉伸）刚度EA（力与产生的轴向位移的比值）、弯曲刚度EI（弯矩与曲率的比值） ））。

又以矩形截面（宽b，高h）为例，有：EA=E*(b*h)，EI=E*

;

从上式可以看出，对于相同截面尺寸的构件，弹性模量越高，刚度越大。

强度和刚度之间有什么关系？ 强度越大是否意味着刚度越大？

尽管强度和刚度是两个独立的物理特性，但它们之间存在着重要的联系。 在结构设计中，通常需要考虑这两个参数的协调。 例如，一种材料可能具有高强度，能够承受大载荷而不断裂，但如果其硬度不够，结构可能会因过度变形而功能失效。 同样，较硬的结构可能会因变形很小而失效。 因此，在选择材料和结构设计时必须同时考虑强度和刚度。 （这里我们可以用钢刀片和竹筷子来类比来理解：钢刀片虽然强度很大，但是比较薄，横向刚度低，变形大；竹筷子的横向刚度比刀片大，但强度较低，较易断裂）。

强度是材料的一项基本物理性能，不随其组成部件的形状、尺寸、厚度等而改变（两块强度为1500Mpa的钢材叠在一起仍具有1500Mpa的强度） 。

相同构件截面下，材料的弹性模量越大，构件刚度越大，其承载能力越高；

在相同材料的情况下，截面尺寸越大，部件刚度越大，其承载能力也越高。

在建筑结构的设计中，有很多涉及调整强度或刚度的内容，例如在结构设计中使用高强度钢筋，以减少钢材的使用量。 又如，当结构的剪重比不满足规范要求时，可采用一种或两种方法。 这里有人可能会问，强度不是材料固有的物理属性吗？ 怎样才能“调整”呢？ 这是因为钢筋混凝土构件是非均质材料（由两种材料组成：钢筋和混凝土）。 所谓“强度”调整，是指增加楼板地震剪力后，结构构件中钢筋的配置量会增加。 钢筋混凝土构件的“等效强度”增加。

在桥梁结构的设计中，结构工程师必须确保所使用的材料足够坚固，能够承受车辆和其他载荷，同时也足够坚硬，以防止桥梁在载荷下弯曲或振动。

在航空领域，飞机材料必须轻且坚固，但又必须足够坚硬以抵抗空气动力和其他力。

在汽车领域，车身必须具有足够的刚度，以保证在受到碰撞或挤压时避免车架过度变形。 在同等刚度要求下，提高车体钢材的强度，可以适当减少钢材的厚度，可以达到减少车体用量从而降低能耗的目的。 当然，在车体钢材厚度相同的情况下，提高车体钢材的强度可以有效提高车体的扭转、弯曲和剪切刚度，从而达到提高车体安全性的目的。 因此，很多车企都会在宣传中提到自己的车身大量使用高强度钢材，以强调车身的安全性。

正如文章开头提到的，某汽车公司使用了两块1500Mpa的钢材来叠加车身顶部纵梁。 工程师想要表达的是“车身刚度大大提高，安全性更高”。

那么，“两层钢板”的抗弯刚度比“一层钢板”增加了多少呢？

如上图所示，一层钢板的弯曲刚度

,

两层钢板的弯曲刚度

刚度比

。 因此，当钢材厚度增加一倍时，其抗弯刚度增加8倍！

所以，即使强度不够，增加厚度也是一种很善良、很良心的做法。

“让他坚强，让他坚强，微风吹过山岗……”——清风明月，折射出内心的力量。

“立于千尺高墙，刚无欲……”——千尺悬崖巍然矗立，外在刚毅。

请大家暂时停一下，再思考一下上面的两句话。 你将对“刚度”和“强度”有另一个层次的理解。

这篇文章就结束了！

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