2-1-1了解结构.ppt

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1、Company Logo2-1 结构与设计结构与设计Company Logo课程目标：课程目标：v1、了解结构的涵义，能从力学角度理解结构的概念和一般分类；v2、能结合一到两种简单的结构案例，分析结构是如何承受应力的；v3、能通过技术试验分析影响结构的强度和稳定性的因素，并写出试验报告；v4、能确定一个简单对象进行结构设计，并绘制设计图纸，做出模型或原型；v5、能从技术和文化的角度欣赏并评价典型结构设计的案例。重点与难点重点与难点 从力学角度理解结构的概念、影响结构强从力学角度理解结构的概念、影响结构强度和稳定性的因素、结构设计方案的制定。度和稳定性的因素、结构设计方案的制定。初识结构初识结构

2、v结构结构(Structure)是指事物的各个组成部分是指事物的各个组成部分之间的之间的有序搭配有序搭配和和排列排列。v结构的各个组成部分称为结构的各个组成部分称为构件构件。v结构的结构的本质本质：是为了承受力和抵抗变形。：是为了承受力和抵抗变形。v世界上任何事物都存在着结构，结构多种世界上任何事物都存在着结构，结构多种多样且决定着事物存在的性质。多样且决定着事物存在的性质。结构的分类结构的分类结构名称结构名称形态特点形态特点受力特点受力特点实心结构结构体是实心，几何特征是长、宽、高尺寸约为同一数量级外力分布在整个体积中，能承受较大压力框架结构结构体外形较复杂，支撑空间而不充满空间，由细长构件

3、组成，几何特征是长度远大于宽度和高度外力分布在一些点上，能承受水平和垂直外力壳体结构壳体内空、形态稳定，几何特征是厚度远小于长度和宽度外力分布在结构表面，材料直接受压，以减小弯矩，受力均匀合理桁架桁架含义：用圆柱形铰链连接的杆系结构。理想桁架特点：v各杆在两端用光滑铰链连接。v各杆轴线均为直线，且在同一平面内并过铰链中心。v荷载作用在铰链中心，即桁架节点上。v故桁架中各杆均为二力直杆,为拉杆或压杆。桁架结构桁架结构结构的受力结构的受力v所谓作用，是指能使结构产生效应（内力、位移、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称。它可归结为直接作用和间接作用两种。直接作用是指直接施加在结构上的力，如结构自重

4、、设备重量、风、雪等；间接作用是指能使结构产生外加变形或约束的原因，如地震、温度变化、地基变形、材料的收缩等。v直接作用通常又称为荷载。按不同的依据，荷载可有多种分类方式。荷载简介荷载简介按荷载随时间的变化分类v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。v活载（可变性荷载）：指作用在结构上可变的荷载，如风荷载、雪荷载等。v偶然荷载：是指在设计基准期内出现的概率很小，但一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力、龙卷风等。拉拉力力 作用于物体作用于物体,使它使它产生弯曲的力产生弯曲的力 压压 力力 两个距离很近两个距离很近 ,大大小相等小相等,方向相反方向相反

5、,且作用于同一物体且作用于同一物体上的平行力上的平行力 剪剪切切力力 挤压物体的力挤压物体的力扭扭转转力力 物体所承受的拉拽物体所承受的拉拽力力 弯弯曲曲力力 反方向向物体两端反方向向物体两端均匀施力均匀施力,使物体发使物体发生扭转形变的力生扭转形变的力结构的受力结构的受力变形形式工程实例受力简图受力特点变形特点拉伸和压缩外 力 沿杆 的 轴线作用杆 沿 轴线 方 向伸 长 或缩短剪切 两 个 等值反向、作 用 线相 距 很近 的 平行 力 作用两 平 行力 间 截面 发 生相 对 错动杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式变形形式工程实例受力简图受力特点变形特点扭转两个力偶矩相等、转向相反，作

6、用面垂直于杆的轴线的力偶作用相 邻横 截面 发生 相对 转动弯曲外力垂直于杆的轴线，外力偶与轴线共面梁 的轴 线由 直线 变成 曲线杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式拱拱(P20)(P20)v(1)形状特点：曲线形结构v(2)受力特点：在竖向荷载作用下，水平方向约束力是推力。推力对拱上任意点力矩与支持力对该点力矩转向相反，故其任意截面弯矩小于相当的梁在相同截面弯矩。v(3)优点：比梁经济。因弯矩小，应力就小，强度高，等强度时，可以用较少的材料。v(4)用途：较大跨度。如天安门门楼的拱门、拱形桥洞等。v(5)型式：三铰拱、两铰拱、无铰拱结构结构的强度与稳定性的强度与稳定性v1、强度：结构抵抗破

7、坏抵抗破坏的能力称为强度，（地质版25页定义错）这里“破坏”的含义与日常生活中的含义不完全一样。对于抗拉与抗压性能相同的材料，破坏是指在外力作用下，构件发生变形，外力去除后构件出现明显的不能恢复的变形，从而不能正常工作，即称构件破坏。对于抗压性能远大于抗拉性能的材料，断裂即破坏。v2、刚度：结构抵抗变形的能力称为刚度。衡量强度衡量强度NSN是内力，是受力面积，是内力，是受力面积，是应力，是应力，应力是结构的应力是结构的单位横截面单位横截面上产生的内力上产生的内力，当内力达，当内力达到某一极限时，结构就会到某一极限时，结构就会遭到破坏。遭到破坏。应力应力补充知识补充知识应力与压强的区别v（1）应

8、力作用于构件内部截面，压强作用于物体表面。v（2）应力与截面可成任意角度，压强垂直于物体表面。v（3）压强均布，应力不一定均布。v予应力：给构件加载到一定程度，再卸载，以提高材料的强度，构件在承载之前就已存在的应力。v危险截面：产生最大应力或最大变形的截面（地质版17页定义不准确，该定义是在同材料等截面梁时才成立）。影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素v1 1、形状、形状v（1）结构形状三角形结构强度高。如桁架桥上、下梁用桁架连接成三角形。纸板受压实验，鸡蛋受压实验，吊篮支撑架三角形，支架结构等。v（2）构件形状空心优于实心，矩形竖放优于平放，矩形优于正方形。悬梁强度实验，矿泉水瓶横向

9、凸起花纹均为提高强度。v2 2、材料、材料v（1）容许应力：容许应力大，强度高。花展架柱用铁优于木材，钢筋混凝土梁加钢筋增加强度。v（2）按材料特性选择截面：v抗拉性能相同的采用圆形、矩形、工字形v抗拉压性能不同的采用T字形。影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素v3 3、材料材料的连接方式的连接方式v（1）连接牢固，强度高v凳子榫卯联接、钢架桥焊接。v空调压缩机墙上固定方式v（2）增加连接点加中间支座v4、构件尺寸v（1）面积：纸绳拉伸。粗的强度高v（2）高度：板条弯曲试验。厚的强度高影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素一体式一体式 挤压式挤压式 接插式接插式材料的连接方式材料

10、的连接方式(P28)可相对运动式（活动）可相对运动式（活动）不可相对运动式（刚性）不可相对运动式（刚性）点连接点连接 线连接线连接 面连接面连接v从实现连接的形态来看：v从被连接件间的状态关系来看：v从接触来看：影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素v铰连接铰连接被连接的构件在连接处不能相对移 动，但能相对转动。v刚连接刚连接既不能相对移动,也不能相对转动。v3、稳定性：结构在负载作用下维持其原有平衡状态，即受力后恢复原有平衡状态的能力。稳定不是指物体状态绝对不变，而是指有干扰时，状态允许改变（波动）；干扰消失后能返回原有的平衡状态，否则称为不稳定。稳定与不稳定指的是原有的平衡状态，而不

11、是受力后的状态。结构结构的强度与稳定性的强度与稳定性影响结构稳定性的主要因素影响结构稳定性的主要因素v1 1、重心、重心的位置的位置：重心越低稳定性越好。因物体有取势能小的特性。v（1）降低结构高度v（2）增加底座重量v（3）减少底座上部质量，利用壳体结构，薄钢板材制造汽车车体。v2 2、支撑面、支撑面v（1）支撑面面积越大稳定性越好；底座大单脚支撑的自行车越倾斜越稳定。金字塔人造堤坝外形“A”字形而不是“”字形。v（2）支撑面形状：支撑面三角形稳定，照相机支撑架，电动自行车，摩托车的支撑。v（3）重心垂足位置：重心垂足在支撑面内稳定，人字梯的支撑。影响结构稳定性的主要因素影响结构稳定性的主要

12、因素 重心垂足离支撑面边界最短距离越大越稳定重心垂足离支撑面边界最短距离越大越稳定。101010mm10mm的正方形与的正方形与5 5100mm100mm的矩形底面，二者的矩形底面，二者高度相同，前者稳定。高度相同，前者稳定。v3、结构形状结构形状：三角形框架比四边形框架稳定。从几何角度：三角形三个边对应相等，三角形全等；四边形四条边对应相等，四边形不一定全等。从结构力学理论解释：三角形结构是几何不变体系，四边形结构是几何可变体系。v4、结构的长细比结构的长细比：长细比越小越稳定。v5、结构的连接方式结构的连接方式：结构构件的连接方式越牢固越稳定：刚性框架与柱子的刚性接头，板凳榫卯连接。影响结

13、构稳定性的主要因素影响结构稳定性的主要因素v三角形结构中，三个构件由九个自由度，每个铰链约束减少两个自由度，三个铰链共减少六个自由度，故三角形结构只有三个自由度，是几何不变体系。影响结构稳定性的主要因素影响结构稳定性的主要因素v四边形结构中，四个构件有十二个自由度，四个铰链约束减少八个自由度，故四边形结构还有四个自由度，是几何可变体系。说明：完全确定一个物体在空间位置所需要的独立坐标的数目，叫做这个物体的自由度。力学系统由一组坐标来描述。稳定性稳定性支撑面支撑面重心重心形形 状状对于一个在地面上可移动的物体来说，对于一个在地面上可移动的物体来说，稳定性的主要影响因素稳定性的主要影响因素v例：下

14、列因素对钢筋混凝土电线杆的稳定性影响最大的是（）vA、电线杆的直径vB、电线杆在地面处的截面积vC、电线杆周边的风vD、电线杆地下的深度D对于底部固定在地面上的物体对于底部固定在地面上的物体结构强度与稳定性的区别结构强度与稳定性的区别稳定性：指在外力的作用下稳定性：指在外力的作用下不容易翻倒不容易翻倒强度：指在外力的作用下强度：指在外力的作用下结构体本身遭到破坏结构体本身遭到破坏阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17）v结构中的构件多数发生弯曲变形，下面仅对弯曲变形构件梁的强度问题作一简单介绍。v1、梁的基本形式（单跨梁）v（1）双支撑点梁。有两个支撑点的梁。如图（6-a）所示单双杠

15、。v（）简支梁。两端分别是固定铰支座和可动铰支座的梁，如图（6-b）所示桥梁。图6阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17）v（）外伸梁。一端或两端都伸出支座的梁，如图（6-c）所示火车轮轴。v（2）单支撑梁（悬臂梁）。一端为固定端，另一端为自由端的梁，如图（6-d）所示跳水板。图6阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17）v2、梁弯曲时的内力剪力和弯矩（一般忽略剪力作用）v3、梁的变形，中性层：当梁发生弯曲变形时，从凸边纤维伸长，到凹边纤维缩短，变化是连续的，因此其间必有一层纤维既不伸长也不缩短，这层纤维称为中性层（图7）。图7阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17

16、）v梁的应力：正应力。正应力分布规律，沿截面高度，正应力按线性规律变化（图8）。沿截面宽度正应力相同。中性层上各点正应力为零。离中性层最远的点正应力最大。图8阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17）4、影响弯曲强度及变形的主要因素（1）横截面A、形状：面积相同时，空心截面优于实心截面。B、尺寸：梁的应力与高度平方成反比，与宽度成反比。梁的变形与高度立方成反比，与宽度成反比。因此把材料加在高度上更合理（图9）。图9阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17）v（2）梁的跨度，长度：在相同荷载作用下，梁越长，梁的变形越大。强度越低。（图10）v（3）荷载的位置：荷载越靠近梁的中央，

17、变形量就越大，强度越低。（图11）阅读材料阅读材料 梁的强度梁的强度（P17P17）v结构设计对于我们的日常生活、对于各种结构设计对于我们的日常生活、对于各种各样的生产活动都非常重要。日常生活中各样的生产活动都非常重要。日常生活中,没有丰富的结构设计没有丰富的结构设计,产品将会造型单一、产品将会造型单一、功能单调功能单调,那些大型建筑物、交通运输工具那些大型建筑物、交通运输工具等等 更是无法产生更是无法产生;生产活动中生产活动中,产品制造技产品制造技术、结构安全性及耐久性评估、维修加固术、结构安全性及耐久性评估、维修加固技术等技术等,都离不开结构的设计和研究。都离不开结构的设计和研究。v结构设

18、计应结构设计应以一种或几种功能以一种或几种功能的实现为基的实现为基本目标本目标,应满足设计规范应满足设计规范,满足使用者的基本满足使用者的基本需要。需要。简单结构的设计简单结构的设计简单结构的设计简单结构的设计v1、明确设计的目标及要求v2、形成初步设计方案v3、模型制作v4、检测、优化和改进设计v5、评价结构设计结构设计功能功能人的个性化需要人的个性化需要寿命寿命安全安全美观美观稳定性稳定性强度强度成本成本学习结构设计应考虑的主要因素学习结构设计应考虑的主要因素 古今中外许多能工巧匠把结构的古今中外许多能工巧匠把结构的功能功能与与形式形式恰当地恰当地结合起来结合起来,形成了一些经典的结构。形

19、成了一些经典的结构。从从技术技术与与文化文化两个角度进行两个角度进行欣赏欣赏（1 1）技术技术的角度主要有：的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。等。（2 2）文化文化的角度主要有：的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征，结构的个性特征代、民族、习俗方面的特征，结构的个性特征等。等。经典结构欣赏经典结构欣赏v1、什么是经典结构？、什么是经典结构？v2、如何欣赏经典结构？

20、、如何欣赏经典结构？经典结构欣赏经典结构欣赏赵州桥赵州桥经典结构欣赏经典结构欣赏技术技术角度：角度：文化文化角度：角度：1.1.功能功能2.2.结构设计结构设计3.3.技术施工技术施工桥洞桥洞，桥面桥面“敞肩拱敞肩拱”的的创造创造2828道拱圈道拱圈桥台桥台地基地基平拱、小拱：平拱、小拱：栏板、望柱图案：栏板、望柱图案：龙门石、仰天石：龙门石、仰天石：巨身轻灵、跃跃欲巨身轻灵、跃跃欲飞的动感。飞的动感。刀法苍劲，造型生动，刀法苍劲，造型生动，刚劲之中见柔和，刚劲之中见柔和，稳重之中显轻灵，稳重之中显轻灵，雄伟之中含隽永。雄伟之中含隽永。赵州桥赵州桥知识结构知识结构自然界中的结构（例如：蜂巢）技术领域的结构（例如：埃菲尔铁塔）社会领域的结构（例如：学校的人员结构）结构的概念实心结构（例如：铅球）框架结构（例如：悬索桥铁架）壳体结构（例如：头盔）结构的分类压力拉力剪切力扭转力弯曲力结构的受力强度的含义结构的强度影响结构强度的因素结构的形状使用的材料构件之间的连接方式稳定性的含义影响结构稳定性的因素重心的位置支撑面大小结构的形状结构的稳定性结构的含义结构的分析简单结构的设计经典结构的欣赏结结构构与与设设计计技术角度文化角度