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第一章结构与设计 技术与设计 1 白金汉宫 克里姆林宫 故宫 布达拉宫 2 长城 赵州桥 埃菲尔铁塔 卢浮宫 3 看了以上精妙绝伦的建筑 我们不禁为设计师们精彩的设计艺术而感叹 大家也注意到这些建筑使用的材料没什么特殊 却千姿百态 风格迥异 它们在设计上有什么不同 主要是结构不同 那么 什么是结构呢 结构与设计具有什么关系呢 4 第一节初识结构一 结构的涵义 结构 一词 对同学们来说可能并不陌生 请同学们想一想 在学习其它课程中 有哪些课程提到过 结构 在生物课中提到过 人体的结构 在政治课里有社会结构 在化学和物理中 有物质结构 分子结构 原子结构 在语文课里接触过 文章的结构 在地理课中有地质结构等 5 结构是指物体的各组成部分之间的搭配 排列及其相互关系 结构的各组成部分 通常称为构件 物体的主体框架与构造形式 称为架构 6 同样的三根棍 首尾相连 就成了武术器械 三节棍 如将三根棍的一端连在一起就变成了可用来照相和测量的 三角架 从以上事例 我们看到结构是如何的重要 结构决定了物体的性质和形态 结构不合理 就会产生严重的后果 结构的本质 结构是为了承受力和抵抗变形 7 贵州一在建大桥坍塌 河北沧州一大桥坍塌造成3人死亡3人伤 8 在我们这个课里 不去讨论广义的结构 而只限定在 工程结构 的范围内 什么是工程结构 工程结构是指能承受和传递外加荷载的承力系统 包括杆 板 壳等构件及其组合体 也就是说 工程结构可以是单个的构件 如一根杆 一块板 一条绳 也可以是一个由不同构件组合起来的组合体 如一座桥 一张桌子 一架飞机等 它们都可以叫做工程结构 常常简称为结构 9 工程结构的主要功能就是承受和传递各种形式的外载 保证结构的可靠工作 如 秋千的吊索 主要承受拉力 桥梁的桥墩 主要承受压力 连接齿轮和轴的键 主要承受剪力 汽车方向盘的轴 主要承受扭力 单杠的杠体 上面的横杠 主要承受弯力 10 为了保证结构的正常工作 这些构件必须有对于主要载荷的足够的承载能力 这是结构设计中必须考虑的重要问题 二常见结构的类型1 根据力学的架构与形态的不同 分为 1 实心结构 这类结构的特征是几何外形简单 通常有杆 柱 板 体等之分 特点 能承受较大的压力 实例 房屋的墙体 水库的大坝 古代的城墙等 11 城墙 三峡大坝 金字塔 12 2 框架结构 其特征是几何外形较为复杂 能承受垂直和水平荷载 依据功能和使用条件的不同 可以设置成不同框架的组合 框架结构通常由杆件组成 也有用板件组成的 这里的杆或板 可以是实心的 也可以用管材 特点 制作方便 节省用料 实例 门 窗 塑料大棚的棚体 自行车车体 输电铁塔 转台等 框架结构厂房 框架结构 13 南京长江大桥 简易衣橱 14 3 壳体结构特征 壳体内空 受力合理 形态稳定 壳的几何形状有折线形的 圆弧形的和拱形的等 实例 储油罐 水壶 水杯 火箭 飞船 装甲车等 储油罐 水杯 飞船 15 枭龙战机 宋级常规潜艇 16 思考 1 摩托车头盔 常见的都是圆弧形结构 为什么这样做呢 当这种头盔受到外力冲击时 外力将由弧面整体分担承受 抵抗变形 如果将头盔做成长方形体或多面形体时 外力将主要由接触点所在的小平面承受 易使壳体变形 2 联系生活 还有那些圆弧形 多面体形壳体结构的实例 自然界中的椰子 桂圆 西瓜 贝类 蛋 龟等 都属于壳体结构 它们以较薄的外壳 获得了较大的承受外力的卓越性能 17 第二节典型结构案例分析一 单杠结构分析1 单杠的结构 杠体 立柱 拉杆 18 2020 2 5 19 2 杠体的受力与变形3 立柱 拉杆的受力与变形 20 二 棚室屋架结构分析1 棚室的荷载恒载 永久性荷载 指作用在结构上长期不变的荷载 如结构自重等 活载 可变性荷载 指作用在结构上可变的荷载 如风载 雪载等 偶然荷载 指出现概率很小 一旦出现量值很大且持续时间很短的荷载 如爆炸力 龙卷风等 2 立柱的受力 21 3 梁的受力4 拱结构的应用 22 第三节结构的强度与稳定性一 简易技术试验内力如何抵抗外力图示 弯曲力 内力抵抗弯曲力 23 外力使构件发生变形的同时 构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力 称为内力 内力 就是用来抵抗外力与变形 并力图使变形部分复原的力 24 二 应力与强度应力 作用在单位面积上的内力 应力有一个最大值 称为容许应力 对应最大内力 当外力大于内力的最大值 或者结构受到的应力大于容许应力时 结构就会被破坏 25 结构的最大内力越大 要破坏它所需的外力也就越大 也可以说 它的强度越大 强度可以通过应力来衡量 26 如何判断外力能否破坏结构1 假设内力等于外力 计算出应力 与容许应力比较 如果大于容许应力 结构会被破坏 2 由容许应力计算出最大内力 如果外力比最大内力还要大 则结构会被破坏 27 一根筷子和一把筷子的故事 古代有几兄弟经常打架 父亲就给他们现身说法 一根筷子容易被人折断 两根筷子还是容易折断 三根筷子有点难 十根筷子就折不断了 从此 几兄弟便团结起来 试解释 为何一根筷子容易断 多根筷子不易断 28 答 一根筷子的截面积小 所受应力就大 多根筷子一起 截面积变大了 所受应力就小了 29 三 影响结构强度的因素1 形状 构成的形状略有改变 强度就会改变 2 材料 不同的材料有承受不同应力极限的能力 3 材料的连接方式 不同的连接方式 受力传递方式和效果不一样 30 四 稳定性的概念1 摆的平衡与稳定稳定指的不是状态的绝对不变 而是指受扰后 允许状态有所波动 但当扰动消失后 能重新返回到原平衡状态 则为稳定 不能回到原有平衡状态 为不稳定 2 结构稳定的含义结构具有阻碍翻到或移动的特性就是结构稳定性 不倒翁 31 五 影响结构稳定性的因素1 影响因素 1 结构的形状 2 重心的位置 32 2 怎样增加结构的稳定性尽可能地增大结构的底面积 尽可能地降低结构的整体重心位置 1 减小长细比 2 利用三角形框架及其组合结构 可以有效地增加结构的稳定性 33 第四节学做结构设计一 壁挂式简易衣帽架原型制作1 衣帽架的构成2 确定设计方案3 完成设计制作 银翼衣帽架 洛佳衣帽架 提拉克衣帽架 带衣筐的衣帽架 门厅图片衣帽架 胡桃阿美族衣帽架 34 二 秋千模型结