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1、第三节 结构的强度和稳定性,知识回顾,1.什么是结构?,从力学的角度:结构是指可承受一定应力的架构形态,它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。,结构的功能本质:为了承受力,抵抗变形,2.结构的本质是什么?,结构是指物体的各组成部分之间的搭配和排列,小试验,当这些物体受到外力作用时,原有的平衡状态被打破导致的,这是一种我们生活中的现象,在没吹它时它是稳定的,后来它为什么会翻倒呢?,生活中的现象,什么是结构的稳定性呢?,结构的稳定性是指结构在负载的作用下维持其原有平衡状态的能力。,如何保持在有风力情况下矿泉水瓶的稳定性?,可以在瓶子中装入一定量的水,台风视频,提高稳定性可以减少损失,结构的稳定性被打
2、破后往往会造成严重的后果,,探究1:,拿一本书,让它直立在桌面上,它马上倾倒了,显然,其稳定性不好。同样的一本书,把它的下端各书页展开一定的角度,仍旧将它直立在桌面上,它就能很好的挺立住。,因素一:支撑面积的大小,1.稳定性与支撑面积的大小有关 支撑面越大越稳定,越小越不稳定。,A.落地电风扇或者宾馆里的落地灯,它们都有一个比较大的底座,结构的底座,结构与地面接触所形成的支撑面大,稳定 。,B:为什么大坝的横截面总是建成梯形?,大坝需要承受很大的力的作用,如自身的重力,水的冲击力、压力等等,要起到防洪的作用,大坝必须要求非常稳固。大坝建成梯形,增大了与地面接触所形成的支撑面,支撑面越大越坚实,
3、稳定性就越好。,C.为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜?,为了进一步增大与地面接触所形成的支撑面积,增加稳定性。,注意: 支撑面接触面。 接触面:是物体与地面接触形成的面。 支撑面:是物体与地面接触形成支撑点的连线与地面构成的面。,增大与地面接触所形成的支撑面积,增加稳定性,探究2:落地扇为什么不易倾倒?,落地扇的底座采用较重的材料,风扇比底座轻很多,使落地扇的重心降低。,2结构的稳定性与重心位置有关。 物体重心越低,越稳定。,因素二:重心位置,A.不倒翁为什么不倒?如果在它脖子上挂上一定数量的铁环,它还会不倒吗?,不倒翁的重心很低,就在它与地面的接触点上,所以不倒,如果往它的脖子挂上铁环
4、,它的重心位置升高了,当铁环达到一定数量时,不倒翁就不再是不倒翁了。重心的高低影响结构的稳定性。重心越低,稳定性越好;重心越高,稳定性越差。,B.以前的农作物个子高,遭遇暴风骤雨容易倾覆,造成减产;现在的农作物普遍个子矮。就是利用了重心低结构稳定的原理,它从1174年始建,1350年竣工,经历了176年。但由于塔身过重,地质松软,因此塔身仍以每年125毫米的速度向南倾斜。到1999年1月,塔顶比中轴线偏斜已达48米。意大利当局为了拯救斜塔,已向全世界广泛征求保护方案,同时在塔的北侧加压了830吨的铅块,并在塔身的三分之一处加了一圈铜缆,向北牵拉固定。不过斜有斜的好处,每天为“斜”而来的参观者多
5、达10余万人,扔下大把大把的银子。如果它是一座正塔,比萨就不会有今天的风光,也就不会有这么多便宜可占了。,辽宁瑞州古塔,现存塔身高10米,塔身向东北方向倾斜12度,塔尖水平位移1.7米。该塔建成之后虽几经地震与洪水破坏,却始终斜而不倒,堪称奇迹。,小资料:中国的斜塔,苏州的虎丘塔,虎丘塔高47.7米,比意大利比萨斜塔矮6米;塔尖偏离中心2.34米,是比萨塔的一半;虎丘塔建于961年,比比萨塔早完工390年。因为地基不牢,重6000吨的塔便倾向土堆的一边。,小资料:中国的斜塔,3、结构的稳定性与它的几何形状有关。,A、A字形梯为什么载人时能够保持稳定?如果没有梯子中间的拉杆将会怎么样?,一般情况
6、下,梯子打开的时候,梯面与地面组成三角形,梯子本身就能站得稳。当连接两个梯面的横杆拉直时,两个梯面的上半部分就与横杆构成了稳定的三角形,这就进一步加强了梯子的稳定性,保证梯子能承受人体的压力。如果没有梯子中间的拉杆,载人时就不能保持稳定。,因为三角支架与地面有三个接触点,形成的三角形结构使照相机的支撑架更容易稳定。,B、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形状?,因素三: 结构的稳定性与它的几何形状有关。,建筑中广泛运用了三角形的稳定性。房子、桥梁的桁架大多都是由多个三角形构成的;钢架结构的十字梁同样是运用这一原理,在四边形的框架中用两条杆件作对角线,形成多个三角形,既节省了材料,减轻了
7、结构的质量,又有效地加强了结构的强度和稳定性。十字钢梁也是建筑中常用的构件,如在高压输电的铁塔、悬索桥的塔架,以及摩天大楼钢架结构中都被普遍地采用。,补充(三角形稳定性的应用):,静止状态的单车如何保持稳定,案例分析:,(1)双腿支撑,(2)单腿支撑,不稳定的结构应用:,.倒置的啤酒瓶可以预报地震。,.在打水的桶口边挂一重物,在水面时能自动翻倒打水。,练习:,(2)货物应尽量放在船舱里还是甲板上?为什么?,要提高这种篮球架的稳定性可以怎么做?,在篮球底座上加些比较重的石板之类的重物。是为了使篮球架的重心向后偏移,重心所在点的垂线落在结构底面的范围内,达到结构稳定的基本条件。,还有什么方法吗?,
8、可以增大底座与地面的接触面,这样也可以使重心所在点的垂线落在结构底面的范围内。?,但我们在日常生活中没有发现这样做的,为什么呢?,结构的强度,这条板凳、这个防盗网的强度是怎样的,也就是指它受到外力作用的情况下,它不被外力破坏的能力如何。,结构具有的抵抗被外力破坏的能力。,所以说结构的强度是指:,我们知道稳定性是研究物体的保持平衡状态的能力,强度是研究不被外力破坏的能力。例如我们刚才举的椅子的例子,椅子能够承受人的重力这是一个强度问题,那么椅子会不会左右晃动,摇摆,那就是一个稳定性问题了。,强度与稳定性的联系与区别:,根据你的生活经验填写下表:,马上行动:,竹竿比脆性塑料杆能挂更多的重物而不会断
9、裂,不同材料的抗拉性能不同,中间有焊接缝的钢管受到撞击时容易损坏,因为有连接点,应力和强度的关系:,这只是我们一个笼统的说法,我们如何来衡量一件东西的强度呢?那就要用到应力的知识。,内力,外力,内力,P,N,外力是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。,1.影响结构强度的主要因素,吊兰支撑使用的三角形支架结构,而不使用由一根直杆挑起的结构。从材料方面考虑,吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条或塑料,钢管抗拉力性能好。从连接方式考虑,吊兰的三角形支架的构件是焊接而不是捆缚,这种连接方式更牢固。,1.影响结构强度的几个主要因素,结构的形状,使用的材料,构件
10、之间的连接方式,结构外部形状 结构的构件截面形状,铰连接 刚连接,(1)结构的形状:,A.不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。,注意: 结构对强度的影响有两点,一是结构的外部形状,二是结构的构件截面形状。,C.相同材料,相同截面积,不同截面形状的构件强度不同。,B.结构的外形相同,构件的截面不同,其强度不一样。,(1)结构的形状:,“工”字形横梁被广泛应用,D.三角形形状:,三角形是框架结构中最基本的形状之一,它结实、稳定、所用材料最少。,在长方形或六边形的框架中间,加上支撑构件,构成三角形,就可以大大增加它的牢固程度。,(2)材料,形状相同,材料不同,强度就不同,结构的强度与材料
11、有关,(2)材料,桥梁三大基本类型,混凝土材料。,使用钢筋混凝土结构的好处是什么?,混凝土抗压性能较好,而抗拉能力就比钢筋要小得多。因此在制造时可在梁的受拉区放置钢筋,组成钢筋混凝土梁,在这种梁中,钢筋受拉,混凝土受压,它们合理组成一个整体,共同承担载荷的作用。,(3)构件之间的连接方式:,结构的连接是指通过一定的连接物将构件组成整体结构。,结构构建的连接通常有以下两类: 铰连接 刚连接,不同的连接方式,受力传递方式和效果不一样,铰连接:被连接的构件在连接处不能相对移动,但可以相对转动,具体有松螺栓、松铆等。,刚连接:被连接的构件在连接处不能相对移动,也不能相对转动,具体有榫接、胶接、焊接等。,胶接,榫接,结构对事物的功能和作用产生着直接的影响,结构的改变可能导致功能的改变,多功能起子,(三)结构与功能:,小结,一、结构的稳定性 影响结构稳定性的三个因素:重心位置、支撑面积的大小和结构的形状 二、结构的强度 影响结构强度的三因素:结构的形状、结构的材料与连接 三、结构与功能,谢 谢!,
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