結(jié)構(gòu)的強度與穩(wěn)定性

1、第三節(jié):結(jié)構(gòu)的強度與穩(wěn)度 為什么擁有當代最先進的設計師和最先進的技術(shù)制造而成的大橋在歷時四個月之后就轟然倒塌了呢？是什么原因使它倒塌了呢？小試驗小試驗當這些物體受到外力作用時，原有的平衡狀態(tài)被打破導致的 這是一種我們生活中的現(xiàn)象，在沒吹它時它是穩(wěn)定的，后來它為什么會翻倒呢？ 生活中的現(xiàn)象如何保持在有風力情況下礦泉水瓶的穩(wěn)定性？ 可以在瓶子中裝入一定量的水 提高穩(wěn)定性可以減少損失 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性被打破后往往會造成嚴重的后果， 穩(wěn)定指的不是狀態(tài)的絕對不變，而是指受擾后，允許狀態(tài)有所波動，波動消失后，能重新回到原平衡狀態(tài)，則為穩(wěn)定，不能回到原來平衡狀態(tài)，為不穩(wěn)定。 所謂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是指結(jié)構(gòu)在外載荷的

2、作用下，能夠保持原有平衡狀態(tài)的能力。如果結(jié)構(gòu)在外載荷作用下不能保持原有平衡狀態(tài)，就叫做“失穩(wěn)”。因而，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也叫做結(jié)構(gòu)抗失穩(wěn)的能力。 探究探究11：拿一本書，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩(wěn)定性不好。同樣的一本書，把它的下端各書頁展開一定的角度，仍舊將它直立在桌面上，它就能很好的挺立住。因素一：支撐面積的大小1.穩(wěn)定性與支撐面積的大小有關(guān)支撐面越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。A.落地電風扇或者賓館里的落地燈，它們都有一個比較大的底座結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面大,穩(wěn)定 。B：為什么大壩的橫截面總是建成梯形？ 大壩需要承受很大的力的作用，如自身的重力，水的沖擊力、壓力等等，

3、要起到防洪的作用，大壩必須要求非常穩(wěn)固。大壩建成梯形，增大了與地面接觸所形成的支撐面，支撐面越大越堅實，穩(wěn)定性就越好。C.為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？ 為了進一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性。為了進一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性。注意：注意：支撐面支撐面接觸面。接觸面。接觸面接觸面: :是物體與地面接觸形成的面。支撐面支撐面: :是物體與地面接觸形成支撐點的連線與地面構(gòu)成的面。增大與地面接觸所形成的支撐面積，增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性增加穩(wěn)定性 探究探究22：落地扇為什么不易傾倒？：落地扇為什么不易傾倒？ 落地扇的底座采用較重的材料，風

4、扇比底座輕很多，使落地扇的重心降低。 2結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。物體重心越低，越穩(wěn)定。因素二：重心位置因素二：重心位置A.不倒翁為什么不倒？如果在它脖子上掛上一定數(shù)量的鐵環(huán)，它還會不倒嗎？ 不倒翁的重心很低，就在它與地面的接觸點上，所以不倒，如果往它的脖子掛上鐵環(huán)，它的重心位置升高了，當鐵環(huán)達到一定數(shù)量時，不倒翁就不再是不倒翁了。重心的高低影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。重心越低,穩(wěn)定性越好;重心越高,穩(wěn)定性越差。 B.以前的農(nóng)作物個子高，遭遇暴風驟雨容易傾覆，造成減產(chǎn)；現(xiàn)在的農(nóng)作物普遍個子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理 它從它從11741174年始建，年始建，13501350年竣年竣工，經(jīng)歷了工，

5、經(jīng)歷了176176年。但由于塔身過重，年。但由于塔身過重，地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年1 12525毫毫米的速度向南傾斜。到米的速度向南傾斜。到19991999年年1 1月，塔月，塔頂比中軸線偏斜已達頂比中軸線偏斜已達4 48 8米。意大利米。意大利當局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛當局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛征求保護方案，同時在塔的北側(cè)加壓征求保護方案，同時在塔的北側(cè)加壓了了830830噸的鉛塊，并在塔身的三分之一噸的鉛塊，并在塔身的三分之一處加了一圈銅纜，向北牽拉固定。不處加了一圈銅纜，向北牽拉固定。不過斜有斜的好處，每天為過斜有斜的好處，每天為“斜斜”而來而來的

6、參觀者多達的參觀者多達1010余萬人，扔下大把大余萬人，扔下大把大把的銀子。如果它是一座正塔，比薩把的銀子。如果它是一座正塔，比薩就不會有今天的風光，也就不會有這就不會有今天的風光，也就不會有這么多便宜可占了。么多便宜可占了。 遼寧瑞州古塔，現(xiàn)遼寧瑞州古塔，現(xiàn)存塔身高存塔身高1010米，塔身向東北米，塔身向東北方向傾斜方向傾斜1212度，塔尖水平位度，塔尖水平位移移1.71.7米。該塔建成之后雖米。該塔建成之后雖幾經(jīng)地震與洪水破壞，卻始幾經(jīng)地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。終斜而不倒，堪稱奇跡。小資料：中國的斜塔小資料：中國的斜塔蘇州的虎丘塔蘇州的虎丘塔虎丘塔高虎丘塔高47.747.7

7、米，比意大利米，比意大利比薩斜塔矮比薩斜塔矮6 6米；塔尖偏離米；塔尖偏離中心中心2.342.34米，是比薩塔的一米，是比薩塔的一半；虎丘塔建于半；虎丘塔建于961961年，比年，比比薩塔早完工比薩塔早完工390390年。因為年。因為地基不牢，重地基不牢，重60006000噸的塔便噸的塔便傾向土堆的一邊。傾向土堆的一邊。 小資料：中國的斜塔小資料：中國的斜塔3 3、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。 A A、A A字形梯為什么載人時能夠保持字形梯為什么載人時能夠保持穩(wěn)定？如果沒有梯子中間的拉桿將穩(wěn)定？如果沒有梯子中間的拉桿將會怎么樣？會怎么樣？ 一般情況下，梯子

8、打開的時候，一般情況下，梯子打開的時候，梯面與地面組成三角形，梯子本身就梯面與地面組成三角形，梯子本身就能站得穩(wěn)。當連接兩個梯面的橫桿拉能站得穩(wěn)。當連接兩個梯面的橫桿拉直時，兩個梯面的上半部分就與橫桿直時，兩個梯面的上半部分就與橫桿構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，這就進一步加構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，這就進一步加強了梯子的穩(wěn)定性，保證梯子能承受強了梯子的穩(wěn)定性，保證梯子能承受人體的壓力。如果沒有梯子中間的拉人體的壓力。如果沒有梯子中間的拉桿，載人時就不能保持穩(wěn)定。桿，載人時就不能保持穩(wěn)定。影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素：影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素：1.支撐面支撐面2.重心分析重心分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本條件：重心所在的垂線落在結(jié)

9、構(gòu)底面內(nèi)。3.結(jié)構(gòu)的集合形狀結(jié)構(gòu)的集合形狀4.桿件長細比和選用材料桿件長細比和選用材料5N8N5N5N拉力為5N拉力還是5N盡管右邊的力是8N，但對結(jié)構(gòu)有拉伸作用的只有5N，剩下的3N只會讓物體運動，對結(jié)構(gòu)沒有拉伸作用。 外力使構(gòu)件發(fā)生變形的同時，構(gòu)件內(nèi)部分子之間隨之產(chǎn)生一種抵抗變形的抵抗力，稱為內(nèi)力 。 內(nèi)力，就是用來抵抗外力與變形，并力圖使變形部分復原的力。內(nèi)力外力內(nèi)力PN 外力是使構(gòu)件發(fā)生變形的同時，構(gòu)件內(nèi)部分子之間隨之產(chǎn)生一種抵抗變形的抵抗力，稱為內(nèi)力。 外力相當于拉力，內(nèi)力相當于摩擦力 不發(fā)生變形時，內(nèi)力隨外力增大而增大，但達到一個最大值后，就不會再增大了。內(nèi)力有一個最大值。此時，如

10、果外力再增大，就會破壞結(jié)構(gòu)。 強度 應力：作用在單位面積上的內(nèi)力。N/S 應力有一個最大值，稱為容許應力。對應最大內(nèi)力。 當外力大于內(nèi)力的最大值，或者結(jié)構(gòu)受到的應力大于容許應力時，結(jié)構(gòu)就會被破壞。 結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力越大，要破壞它所需的外力也就越大，也可以說，它的強度越大。 強度可以通過應力來衡量。影響結(jié)構(gòu)強度的幾個主要因素結(jié)構(gòu)的形狀使用的材料構(gòu)件之間的連接方式結(jié)構(gòu)外部形狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀鉸連接剛連接影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素 吊蘭支撐使用的三角形支架結(jié)構(gòu)，而不使用由一根直桿挑起的結(jié)構(gòu)。從材料方面考慮，吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，鋼管抗拉力性能好。從連接方式考慮，吊蘭的三角形支架的

11、構(gòu)件是焊接而不是捆縛，這種連接方式更牢固。 如何判斷外力能否破壞結(jié)構(gòu) 1、假設內(nèi)力等于外力，計算出應力，與容許應力比較，如果大于容許應力，結(jié)構(gòu)會被破壞。 2、由容許應力計算出最大內(nèi)力，如果外力比最大內(nèi)力還要大，則結(jié)構(gòu)會被破壞。 假設花桿支柱最粗處的直徑為3cm，最細處的直徑為最粗處的一半，外力沖擊所產(chǎn)生的內(nèi)力為30N，試計算支柱上的最大應力為多少？ 解：最細處的截面積最小，所受的應力最大，最容易被破壞，是整個支柱最薄弱的地方，所以支柱所能承受的最大應力取決于最細處的應力。30/（3.14*0.75*0.75）=16.98 N/cm2 如何賞析結(jié)構(gòu)設計作品？如何賞析結(jié)構(gòu)設計作品？賞析結(jié)構(gòu)設計作品

12、賞析結(jié)構(gòu)設計作品,可從技術(shù)與文化兩個角度進行?？蓮募夹g(shù)與文化兩個角度進行。（1）技術(shù)的角度主要有：結(jié)構(gòu)功能、穩(wěn)固耐用、）技術(shù)的角度主要有：結(jié)構(gòu)功能、穩(wěn)固耐用、造型設計的創(chuàng)意和表現(xiàn)力、材料使用的合理性，造型設計的創(chuàng)意和表現(xiàn)力、材料使用的合理性，工藝制造的精湛程度等。工藝制造的精湛程度等。（2）文化的角度主要有：文化寓意與傳達，公眾）文化的角度主要有：文化寓意與傳達，公眾認可的美學原則，反映的時代、民族、習俗方面認可的美學原則，反映的時代、民族、習俗方面的特征、結(jié)構(gòu)的個性特征等。的特征、結(jié)構(gòu)的個性特征等。 趙州橋趙州橋趙州橋技術(shù)角度技術(shù)角度： 1、功能：兼顧了水陸、功能：兼顧了水陸交通，方便了車馬

13、通行交通，方便了車馬通行2、結(jié)構(gòu)設計：結(jié)構(gòu)設計： “敞肩拱敞肩拱”結(jié)構(gòu)。增大流水通道，結(jié)構(gòu)。增大流水通道，節(jié)省石料，減輕橋身重節(jié)省石料，減輕橋身重量，又利于小拱對大拱量，又利于小拱對大拱的被動壓力，增強了橋的被動壓力，增強了橋身的穩(wěn)定性身的穩(wěn)定性3、技術(shù)施工：、技術(shù)施工：石拱由石拱由28道拱圈縱向并道拱圈縱向并列砌成列砌成; 橋臺是既淺又小橋臺是既淺又小的普通矩形。的普通矩形。文化角度文化角度：趙州橋的弧形平拱和敞肩小拱給人以巨身輕靈、躍躍欲飛的動趙州橋的弧形平拱和敞肩小拱給人以巨身輕靈、躍躍欲飛的動感。感。 橋兩邊的欄板和望柱上，都雕有各種精美圖案，刀法蒼勁，橋兩邊的欄板和望柱上，都雕有各種

14、精美圖案，刀法蒼勁，造型生動。寄寓著大橋不受水害，長存永安的愿望。造型生動。寄寓著大橋不受水害，長存永安的愿望。 1991 1991年年9 9月，趙州橋被美國土木工程師學會選定月，趙州橋被美國土木工程師學會選定取為第十二個取為第十二個“國際土木工程里程碑國際土木工程里程碑”，并在橋北，并在橋北端東側(cè)建造了端東側(cè)建造了“國際土木工程歷史古跡國際土木工程歷史古跡”銅牌紀念銅牌紀念碑。碑。故宮文化文化：漢族文化的代表。建筑色彩以朱墻黃頂為主，表：漢族文化的代表。建筑色彩以朱墻黃頂為主，表現(xiàn)皇帝的威嚴。屋頂?shù)娘w檐結(jié)構(gòu)減輕了大屋頂?shù)某林馗?，現(xiàn)皇帝的威嚴。屋頂?shù)娘w檐結(jié)構(gòu)減輕了大屋頂?shù)某林馗校仍鎏砹孙w動輕

15、快的美感，同時又體現(xiàn)了高貴華美的風既增添了飛動輕快的美感，同時又體現(xiàn)了高貴華美的風韻，豐富了建筑文化。韻，豐富了建筑文化。技術(shù)技術(shù)：采用了：采用了典型的木結(jié)構(gòu)典型的木結(jié)構(gòu)建筑形式。木建筑形式。木結(jié)構(gòu)建筑主要結(jié)構(gòu)建筑主要采用榫鉚連接。采用榫鉚連接。屋頂?shù)娘w檐結(jié)屋頂?shù)娘w檐結(jié)構(gòu)擴大了采光構(gòu)擴大了采光面，有利于排面，有利于排泄雨水。泄雨水。飛檐飛檐斗拱斗拱黃鶴樓黃鶴樓斗拱斗拱 斗拱是中國木構(gòu)架斗拱是中國木構(gòu)架建筑特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在在結(jié)構(gòu)上挑出承重結(jié)構(gòu)上挑出承重，并，并將屋頂?shù)拇竺娣e荷載經(jīng)將屋頂?shù)拇竺娣e荷載經(jīng)斗拱傳遞到柱上。斗拱傳遞到柱上。它有它有一定的裝飾作用，又是一定的裝飾作用，

16、又是屋頂和屋身的過渡。屋頂和屋身的過渡。此此外，它還是封建社會森外，它還是封建社會森嚴的等級制度的象征和嚴的等級制度的象征和重要的建筑尺度衡量標重要的建筑尺度衡量標準。準。斗拱一般使用在高斗拱一般使用在高級的官式建筑中，稱為級的官式建筑中，稱為大式建筑。大式建筑。因為斗拱的因為斗拱的重要性，歷代建筑對它重要性，歷代建筑對它十分重視，使它成為判十分重視，使它成為判斷建筑時代的重要標志斷建筑時代的重要標志之一。之一。 苗族、水族、侗族、瑤族、土族等少數(shù)民族居住的干欄式建筑。這種樓房往往依山傍水建成，體現(xiàn)人與自然的和諧?！傍B巢鳥巢” 形態(tài)如同孕育生命的形態(tài)如同孕育生命的“巢巢”，它更像一個，它更像一

17、個搖籃，搖籃，寄托著人類對未來的希望。寄托著人類對未來的希望。設計者們坦率地把結(jié)構(gòu)暴露設計者們坦率地把結(jié)構(gòu)暴露在外，因而自然形成了建筑的外觀。走近去，可以發(fā)現(xiàn)在外，因而自然形成了建筑的外觀。走近去，可以發(fā)現(xiàn)“鳥巢鳥巢”銀灰色礦質(zhì)般的鋼網(wǎng)以透明的膜材料覆蓋銀灰色礦質(zhì)般的鋼網(wǎng)以透明的膜材料覆蓋，其，其中包含著一個中包含著一個土紅色的碗狀體育場看臺土紅色的碗狀體育場看臺。在這里，中國。在這里，中國傳統(tǒng)文化中傳統(tǒng)文化中鏤空的手法、陶瓷的紋路、紅色的燦爛與熱鏤空的手法、陶瓷的紋路、紅色的燦爛與熱烈，與現(xiàn)代最先進的鋼結(jié)構(gòu)設計烈，與現(xiàn)代最先進的鋼結(jié)構(gòu)設計完美地相融在一起。完美地相融在一起。 “水立方水立方” 的膜結(jié)構(gòu)已成為世界之最。它是的膜結(jié)構(gòu)已成為世界之最。它是根據(jù)細胞排列形式和肥根據(jù)細胞排列形式和肥皂泡天然結(jié)構(gòu)皂泡天然結(jié)構(gòu)設計而成的。這個看似簡單的設計而成的。這個看似簡單的“方盒子方盒子”是是中國傳統(tǒng)中國傳統(tǒng)文化和現(xiàn)代科技文化和現(xiàn)代科技共同共同“搭建搭建”而成的。在中國傳統(tǒng)文化中而成的。在中國