第一章第一节结构的概念15-16

1、第一章 结构及其设计一 、 常见结构的认识1 1 无处不在的结构无处不在的结构 结构结构:是指事物的各个组成部分之间的是指事物的各个组成部分之间的有有序搭配和排列序搭配和排列。 世界上任何事物都存在着结构，结构多世界上任何事物都存在着结构，结构多种多样决定着事物存在的性质。种多样决定着事物存在的性质。 观察自然界中的天然结构观察自然界中的天然结构，如植物的如植物的根、茎和叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且和它们的造型有密切的关系，很多工程结构就是受到天然结构的启发而创制出来的。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、重量轻。减轻重量对某些工程尤

2、为重要，如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。自然界中的各种结构自然界中的各种结构蜘蛛网蜘蛛网雪雪 花花自然界中的各种结构自然界中的各种结构树树自然界中的各种结构自然界中的各种结构恐龙恐龙自然界中的各种结构自然界中的各种结构自然界中的各种结构自然界中的各种结构像真动物一样奔跑的猎豹机器人像真动物一样奔跑的猎豹机器人树树叶叶自然界中的各种结构自然界中的各种结构 19471949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利设计的意大利都灵展览馆的巨型拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽93.6米，长75米。苍耳子苍耳子与尼龙搭扣与尼龙搭扣蜂蜂巢巢 蜂巢由一

3、个个排列整齐的六蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由的底部由3 3个相同的菱形组成个相同的菱形组成. .世纪初世纪初,法国学者马拉尔其曾经法国学者马拉尔其曾经测量过蜂巢尺寸得到一个有趣的测量过蜂巢尺寸得到一个有趣的数字数字:组成底盘的菱形的所有钝角组成底盘的菱形的所有钝角等于度分等于度分,所有锐角等所有锐角等于度分。后经法国数学于度分。后经法国数学家克尼格和英国苏格兰数学家马家克尼格和英国苏格兰数学家马克洛林从理论上计算克洛林从理论上计算,要消耗最少要消耗最少的材料的材料,制成最大的菱形容器制成最大的菱形容器,它的它的角度应该是度分和角度应该

4、是度分和度分度分,竟和蜂巢的角度一分竟和蜂巢的角度一分不差不差! 人们仿其构造用各种材料制人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。人造卫星等的理想材料。 自然界中的各种结构自然界中的各种结构钝角：109 28 锐角：70 32 苍蝇的复眼包含苍蝇的复眼包含40004000个可独立成像的单眼，能看清几乎个可独立成像的单眼，能看清几乎360360度范围内的物体。在蝇眼的启示下，人们制成了由度范围内的物体。在蝇眼的启示下，人们制

5、成了由13291329块小透镜组成的一次可拍块小透镜组成的一次可拍13291329张高分辨率照片的蝇张高分辨率照片的蝇眼照像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。眼照像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。 自然界中的各种结构自然界中的各种结构人类飞翔的梦想源于展翅高飞的鸟，人类飞翔的梦想源于展翅高飞的鸟，鸟因为有它自由流畅的体形和翅膀结鸟因为有它自由流畅的体形和翅膀结构，飞机原型源于飞鸟形体结构的仿构，飞机原型源于飞鸟形体结构的仿生。生。鸟与飞机鸟与飞机鹰眼鹰眼与导弹跟踪系统与导弹跟踪系统 鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面上的动物上的动物,

6、 ,这是因为它的眼部结构比较特殊。这是因为它的眼部结构比较特殊。 人类每只眼睛的视网膜上都有人类每只眼睛的视网膜上都有一个凹槽一个凹槽, ,叫做叫做中央凹中央凹。 而老鹰眼中的而老鹰眼中的中央凹却有两个中央凹却有两个, , 这两个中央这两个中央凹的作用不同凹的作用不同, , 其中一个专门用于接收来自鹰头其中一个专门用于接收来自鹰头侧面侧面物体的像物体的像, , 另一个用于接收来自鹰头另一个用于接收来自鹰头前方前方物物体的像。这样体的像。这样, ,老鹰的视觉范围就宽多了老鹰的视觉范围就宽多了, ,能兼顾能兼顾前方和侧面。前方和侧面。 根据鹰眼的结构根据鹰眼的结构, ,人们正在研制人们正在研制“

7、“ 鹰眼鹰眼”导导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。跟踪攻击。E-2先进鹰眼舰载预警机先进鹰眼舰载预警机 美国的鹰眼俄罗斯的A-50以色列的费尔康日本的767中国的空警-2000 中国预警机之父的中国工程院院士王小谟被授予了“2012年度国家最高科学技术奖” 。希腊帕特农神庙希腊帕特农神庙（又称雅典娜神庙）（又称雅典娜神庙） 埃及金字塔埃及金字塔技术领域的一些结构技术领域的一些结构万里长城万里长城技术领域的一些结构技术领域的一些结构上上海海环环球球金金融融中中心心中中央央电电视视台台新新大大楼楼技术领域的一些结构技术领域的一些结构技术

8、领域的一些结构技术领域的一些结构上海松江有个上海松江有个100米深石场，还有一个小湖。设计公米深石场，还有一个小湖。设计公司就在这里设计了一个司就在这里设计了一个22世纪风格的五星级的松江世纪风格的五星级的松江大酒店。建筑宏伟壮观，有一组瀑布状的玻璃大酒店。建筑宏伟壮观，有一组瀑布状的玻璃幕墙幕墙，非常漂亮。这还是一座极为环保的建筑，整个酒店非常漂亮。这还是一座极为环保的建筑，整个酒店的屋顶种满绿草，石场为酒店提供了良好的的屋顶种满绿草，石场为酒店提供了良好的温度控温度控制制。酒店总共能住。酒店总共能住1000位客人，他们可以享受酒店位客人，他们可以享受酒店里的餐厅、咖啡厅、健身房、宴会厅、水

9、下水族馆、里的餐厅、咖啡厅、健身房、宴会厅、水下水族馆、会议厅、泳池、攀岩会议厅、泳池、攀岩. 技术领域的一些结构技术领域的一些结构利用自然地形结构利用自然地形结构 水坑里竟然设计出这样一座大酒店水坑里竟然设计出这样一座大酒店 技术领域中，产品的结构丰富多彩，结技术领域中，产品的结构丰富多彩，结构影响着产品的性质和功能，合理的结构是构影响着产品的性质和功能，合理的结构是事物存在的基础。事物存在的基础。 卓越的结构是设计者和制造者的重要追卓越的结构是设计者和制造者的重要追求。求。 魁北克大桥的坍塌，分析大桥坍塌魁北克大桥的坍塌，分析大桥坍塌的原因的原因1900年，连接加拿大年，连接加拿大Winn

10、ipeg市和市和Moncton市的魁市的魁北克大桥开始修建，这座桥横跨圣劳伦斯河，是加拿大国北克大桥开始修建，这座桥横跨圣劳伦斯河，是加拿大国家横贯大陆铁路的一部分，然而就在这座桥即将竣工之际，家横贯大陆铁路的一部分，然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。悲剧发生了。1907年年8月月29日下午日下午5点点32分，即将建成分，即将建成的大桥突然倒塌，当场造成了至少的大桥突然倒塌，当场造成了至少75人死亡，多人受伤。人死亡，多人受伤。事故调查显示，这起悲剧是由工程师在设计中一个小的计事故调查显示，这起悲剧是由工程师在设计中一个小的计算失误造成的。算失误造成的。1913年，这座大桥的建设重新开始

11、，然年，这座大桥的建设重新开始，然而不幸的是悲剧于而不幸的是悲剧于1916年年9月再次发生。，月再次发生。，1917年，在年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣工通车，这经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥。座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥。 1922年，在魁北克大桥竣工不久，加拿大的七大工程年，在魁北克大桥竣工不久，加拿大的七大工程学院一起出钱将建桥过程中倒塌的残骸全部买下，并决定学院一起出钱将建桥过程中倒塌的残骸全部买下，并决定把这些亲临过事故的这些钢材打造成一枚枚戒指，发给每把这些亲临过事故的这些钢材打造成一枚枚戒指，发给

12、每年从工程系毕业的学生。然而由于当时技术的限制，桥梁年从工程系毕业的学生。然而由于当时技术的限制，桥梁残骸的钢材无法被打造戒指。于是这些学院只好用其它钢残骸的钢材无法被打造戒指。于是这些学院只好用其它钢材代替。不过为了体现是代表桥坍塌的残骸，戒指被设计材代替。不过为了体现是代表桥坍塌的残骸，戒指被设计成被扭曲的钢条形状，用来纪念这起事故和在事故中被夺成被扭曲的钢条形状，用来纪念这起事故和在事故中被夺去的生命。于是，这一枚枚戒指就成为了后来在工程界闻去的生命。于是，这一枚枚戒指就成为了后来在工程界闻名的工程师之戒名的工程师之戒(Iron Ring)。这枚戒指要戴在小拇指上。这枚戒指要戴在小拇指上

13、，作为对每个工程师的一种警示。，作为对每个工程师的一种警示。 魁北克大桥魁北克大桥 结构影响着它们结构影响着它们的性质和功能的性质和功能, ,结构结构方面存在的一个小问方面存在的一个小问题也许就会导致重大题也许就会导致重大事故的发生事故的发生。 从力学的角度来说，从力学的角度来说，结构结构是指可承是指可承受一定力的架构形态受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起，它可以抵抗能引起形态和大小改变的力。形态和大小改变的力。 每个物体都有它特定的架构形态，这每个物体都有它特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构，种架构形态体现着它的结构，一个复杂的一个复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部结构由许

14、多不同的部分组成，这些组成部分通常称分通常称构件构件。2 2 结构与力结构与力各种各样的结构各种各样的结构人类创造人类创造马上行动指出下例结构可以抵抗来自指出下例结构可以抵抗来自外界那些方面的作用力。外界那些方面的作用力。建筑物的窗户建筑物的窗户餐桌的桌面餐桌的桌面硬纸包装箱硬纸包装箱抵抗来自建筑物墙的正向抵抗来自建筑物墙的正向和侧向的压力、风的作用和侧向的压力、风的作用力，及其自身的重力等力，及其自身的重力等承受来自桌面物承受来自桌面物体的压力和它自体的压力和它自身的重力等身的重力等承受箱内物体的重承受箱内物体的重力、箱内物体向外力、箱内物体向外的挤压力以及自身的挤压力以及自身的重力等的重力

15、等 分析一个结构体的受力情况时，必须先将复分析一个结构体的受力情况时，必须先将复杂的结构体，分为许多小的结构组件杂的结构体，分为许多小的结构组件, , 再一一地再一一地将它分析出来，分析其受力情况，将它分析出来，分析其受力情况，要清楚在这些要清楚在这些力的作用下，构件能否安全、可靠地工作力的作用下，构件能否安全、可靠地工作。 基本受力形式有基本受力形式有拉力拉力、压力压力、剪切力剪切力、扭转扭转力力和和弯曲力弯曲力等。等。拉力拉力 ：物体所承受的拉拽力。物体所承受的拉拽力。压力：压力：挤压物体的力。挤压物体的力。 剪切力：剪切力：两个距离很近，大小相等，两个距离很近，大小相等，方向相反，且作用

16、于同一物体上的平方向相反，且作用于同一物体上的平行的力。行的力。 当构件承受外力作用时，其一部当构件承受外力作用时，其一部分发生滑动或剪断之倾向时，即会产分发生滑动或剪断之倾向时，即会产生剪切力。生剪切力。 扭转力：扭转力：反方向向物体两端均匀反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。施力，使物体发生扭转形变的力。弯曲力：弯曲力：作用于物体，使它产生弯作用于物体，使它产生弯曲的力。曲的力。一般的构件都受到多种力的同时作用。压力拉力提问:梁只是由混凝土材料构成的吗?请连线：请连线：物体所承受的拉拽力物体所承受的拉拽力挤压物体的力挤压物体的力两个距离很近两个距离很近 , ,大小相等大小相等

17、, ,方向方向相反相反, ,且作用于同一物体上的平且作用于同一物体上的平行力行力反方向向物体两端均匀施力反方向向物体两端均匀施力 , ,使使物体发生扭转形变的力物体发生扭转形变的力作用于物体作用于物体 , ,使它产生弯曲的力使它产生弯曲的力马上行动案例分析人坐在椅子上，椅面受到哪些力作用？人坐在椅子上，椅面受到哪些力作用？支架对椅面的支架对椅面的支撑支撑力力椅面椅面自身的自身的重力重力人对椅面的人对椅面的压力压力在这些力的作用下，椅面会产生在这些力的作用下，椅面会产生抵抗外力的内力，当应力超过一抵抗外力的内力，当应力超过一定值时，椅面会产生断裂。定值时，椅面会产生断裂。案例分析图中的桥面受到哪

18、些力作用？图中的桥面受到哪些力作用？风对风对桥面桥面的力的力行人和汽车对行人和汽车对桥面的压力桥面的压力桥自身的重力桥自身的重力桥墩对桥面的桥墩对桥面的支撑力支撑力马上行动图中：图中：吊兰的支撑架承受吊兰的支撑架承受力，力，桥墩承受来自桥面、桥上负载的桥墩承受来自桥面、桥上负载的力，力，两端被托住的梁受到两端被托住的梁受到力，力，大坝承受大坝承受 力等。力等。拉拉压压支撑支撑水的侧压水的侧压探究 观察右图观察右图,说明石磨说明石磨的推杆为的推杆为 什么要用什么要用一根绳子一根绳子吊起来。吊起来。 答案：答案： 1、抵消推杆自身的重力、抵消推杆自身的重力 2、保持人在推磨过程时推杆始终在平行于、

19、保持人在推磨过程时推杆始终在平行于 地面的平面上运动；地面的平面上运动；小试验比较不同形状的纸板承受压力的大小。比较不同形状的纸板承受压力的大小。这三种形状，哪一种会这三种形状，哪一种会承受更大的压力呢？承受更大的压力呢？举例说明这一结论在实际应用中有什么意义。举例说明这一结论在实际应用中有什么意义。 根据结构形态在承受和传递力的方式和根据结构形态在承受和传递力的方式和差别，通常可分为：差别，通常可分为： 实体结构实体结构、框架结构框架结构和和壳形结构壳形结构三种基三种基本类型。本类型。 根据需要还可以有其他分类方法。根据需要还可以有其他分类方法。3 3 结构的分类结构的分类实体结构实体结构指

20、结构本身是实心的结构指结构本身是实心的结构受力特点：外力分布在整个体积中。受力特点：外力分布在整个体积中。框架结构框架结构指结构体由细长的构件组成的结指结构体由细长的构件组成的结构，构，支撑空间而不充满空间支撑空间而不充满空间受力特点：受力特点：可以承受压力和拉力等可以承受压力和拉力等。壳体结构壳体结构指层状的结构指层状的结构受力特点：受力特点：外力作用在结构体的表面上，能外力作用在结构体的表面上，能将将外力分散到整个外力分散到整个表面。表面。小试验：了解壳体结构的受力情况了解壳体结构的受力情况三只鸡三只鸡蛋能承蛋能承受多重受多重的砖头的砖头呢？呢？思考探究探究：1 1、为什么许多软体动物、人

21、类的建筑、为什么许多软体动物、人类的建筑等会选择壳体结构等会选择壳体结构? ?2 2、为什么壳体结构可以对其形成的空、为什么壳体结构可以对其形成的空间起保护作用间起保护作用? ? 壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。料。 在实际生活中，某些结构往往是实体、框在实际生活中，某些结构往往是实体、框架、壳体等基本结构的组合形式。请同学们分架、壳体等基本结构的组合形式。请同学们分析下图的建筑物由哪些基本结构组成，各结构析下图的建筑物由哪些基本结构组成，各结构分别起到什么作用？分别起到什么作用？实体结构实体结构壳体结构壳体结构实实体体结结构构壳体结构壳体结构框架结构框架结构案例分析物体结构物体结构实体实体结构结构框架框架结构结构壳体壳体结构结构组合组合结构结构