结构的强度与稳定性

1、第三节:结构的强度与稳度 为什么拥有当代最先进的设计师和最先进的技术制造而成的大桥在历时四个月之后就轰然倒塌了呢？是什么原因使它倒塌了呢？小试验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 提高稳定性可以减少损失 结构的稳定性被打破后往往会造成严重的后果， 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，波动消失后，能重新回到原平衡状态，则为稳定，不能回到原来平衡状态，为不稳定。 所谓结构的稳定性，是指结构在外载荷的

2、作用下，能够保持原有平衡状态的能力。如果结构在外载荷作用下不能保持原有平衡状态，就叫做“失稳”。因而，结构的稳定性也叫做结构抗失稳的能力。 探究探究11：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，

3、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，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。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：注意：支撑面支撑面接触面。接触面。接触面接触面: :是物体与地面接触形成的面。支撑面支撑面: :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，增大与地面接触所形成的支撑面积，增加稳定性增加稳定性 探究探究22：落地扇为什么不易倾倒？：落地扇为什么不易倾倒？ 落地扇的底座采用较重的材料，风

4、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，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 它从它从11741174年始建，年始建，13501350年竣年竣工，经历了工，

5、经历了176176年。但由于塔身过重，年。但由于塔身过重，地质松软，因此塔身仍以每年地质松软，因此塔身仍以每年1 12525毫毫米的速度向南倾斜。到米的速度向南倾斜。到19991999年年1 1月，塔月，塔顶比中轴线偏斜已达顶比中轴线偏斜已达4 48 8米。意大利米。意大利当局为了拯救斜塔，已向全世界广泛当局为了拯救斜塔，已向全世界广泛征求保护方案，同时在塔的北侧加压征求保护方案，同时在塔的北侧加压了了830830吨的铅块，并在塔身的三分之一吨的铅块，并在塔身的三分之一处加了一圈铜缆，向北牵拉固定。不处加了一圈铜缆，向北牵拉固定。不过斜有斜的好处，每天为过斜有斜的好处，每天为“斜斜”而来而来的

6、参观者多达的参观者多达1010余万人，扔下大把大余万人，扔下大把大把的银子。如果它是一座正塔，比萨把的银子。如果它是一座正塔，比萨就不会有今天的风光，也就不会有这就不会有今天的风光，也就不会有这么多便宜可占了。么多便宜可占了。 辽宁瑞州古塔，现辽宁瑞州古塔，现存塔身高存塔身高1010米，塔身向东北米，塔身向东北方向倾斜方向倾斜1212度，塔尖水平位度，塔尖水平位移移1.71.7米。该塔建成之后虽米。该塔建成之后虽几经地震与洪水破坏，却始几经地震与洪水破坏，却始终斜而不倒，堪称奇迹。终斜而不倒，堪称奇迹。小资料：中国的斜塔小资料：中国的斜塔苏州的虎丘塔苏州的虎丘塔虎丘塔高虎丘塔高47.747.7

7、米，比意大利米，比意大利比萨斜塔矮比萨斜塔矮6 6米；塔尖偏离米；塔尖偏离中心中心2.342.34米，是比萨塔的一米，是比萨塔的一半；虎丘塔建于半；虎丘塔建于961961年，比年，比比萨塔早完工比萨塔早完工390390年。因为年。因为地基不牢，重地基不牢，重60006000吨的塔便吨的塔便倾向土堆的一边。倾向土堆的一边。 小资料：中国的斜塔小资料：中国的斜塔3 3、结构的稳定性与它的几何形状有关。、结构的稳定性与它的几何形状有关。 A A、A A字形梯为什么载人时能够保持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稳定？如果没有梯子中间的拉杆将会怎么样？会怎么样？ 一般情况下，梯子

8、打开的时候，一般情况下，梯子打开的时候，梯面与地面组成三角形，梯子本身就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。杆，载人时就不能保持稳定。影响结构稳定的主要因素：影响结构稳定的主要因素：1.支撑面支撑面2.重心分析重心分析结构稳定的基本条件：重心所在的垂线落在结

9、构底面内。3.结构的集合形状结构的集合形状4.杆件长细比和选用材料杆件长细比和选用材料5N8N5N5N拉力为5N拉力还是5N尽管右边的力是8N，但对结构有拉伸作用的只有5N，剩下的3N只会让物体运动，对结构没有拉伸作用。 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。内力外力内力PN 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。 外力相当于拉力，内力相当于摩擦力 不发生变形时，内力随外力增大而增大，但达到一个最大值后，就不会再增大了。内力有一个最大值。此时，如

10、果外力再增大，就会破坏结构。 强度 应力：作用在单位面积上的内力。N/S 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。 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。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

11、构件是焊接而不是捆缚，这种连接方式更牢固。 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。 假设花杆支柱最粗处的直径为3cm，最细处的直径为最粗处的一半，外力冲击所产生的内力为30N，试计算支柱上的最大应力为多少？ 解：最细处的截面积最小，所受的应力最大，最容易被破坏，是整个支柱最薄弱的地方，所以支柱所能承受的最大应力取决于最细处的应力。30/（3.14*0.75*0.75）=16.98 N/cm2 如何赏析结构设计作品？如何赏析结构设计作品？赏析结构设计作品

12、赏析结构设计作品,可从技术与文化两个角度进行。可从技术与文化两个角度进行。（1）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性，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等。工艺制造的精湛程度等。（2）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征、结构的个性特征等。的特征、结构的个性特征等。 赵州桥赵州桥赵州桥技术角度技术角度： 1、功能：兼顾了水陆、功能：兼顾了水陆交通，方便了车马

13、通行交通，方便了车马通行2、结构设计：结构设计： “敞肩拱敞肩拱”结构。增大流水通道，结构。增大流水通道，节省石料，减轻桥身重节省石料，减轻桥身重量，又利于小拱对大拱量，又利于小拱对大拱的被动压力，增强了桥的被动压力，增强了桥身的稳定性身的稳定性3、技术施工：、技术施工：石拱由石拱由28道拱圈纵向并道拱圈纵向并列砌成列砌成; 桥台是既浅又小桥台是既浅又小的普通矩形。的普通矩形。文化角度文化角度：赵州桥的弧形平拱和敞肩小拱给人以巨身轻灵、跃跃欲飞的动赵州桥的弧形平拱和敞肩小拱给人以巨身轻灵、跃跃欲飞的动感。感。 桥两边的栏板和望柱上，都雕有各种精美图案，刀法苍劲，桥两边的栏板和望柱上，都雕有各种

14、精美图案，刀法苍劲，造型生动。寄寓着大桥不受水害，长存永安的愿望。造型生动。寄寓着大桥不受水害，长存永安的愿望。 1991 1991年年9 9月，赵州桥被美国土木工程师学会选定月，赵州桥被美国土木工程师学会选定取为第十二个取为第十二个“国际土木工程里程碑国际土木工程里程碑”，并在桥北，并在桥北端东侧建造了端东侧建造了“国际土木工程历史古迹国际土木工程历史古迹”铜牌纪念铜牌纪念碑。碑。故宫文化文化：汉族文化的代表。建筑色彩以朱墙黄顶为主，表：汉族文化的代表。建筑色彩以朱墙黄顶为主，表现皇帝的威严。屋顶的飞檐结构减轻了大屋顶的沉重感，现皇帝的威严。屋顶的飞檐结构减轻了大屋顶的沉重感，既增添了飞动轻

15、快的美感，同时又体现了高贵华美的风既增添了飞动轻快的美感，同时又体现了高贵华美的风韵，丰富了建筑文化。韵，丰富了建筑文化。技术技术：采用了：采用了典型的木结构典型的木结构建筑形式。木建筑形式。木结构建筑主要结构建筑主要采用榫铆连接。采用榫铆连接。屋顶的飞檐结屋顶的飞檐结构扩大了采光构扩大了采光面，有利于排面，有利于排泄雨水。泄雨水。飞檐飞檐斗拱斗拱黄鹤楼黄鹤楼斗拱斗拱 斗拱是中国木构架斗拱是中国木构架建筑特有的结构构件，建筑特有的结构构件，在在结构上挑出承重结构上挑出承重，并，并将屋顶的大面积荷载经将屋顶的大面积荷载经斗拱传递到柱上。斗拱传递到柱上。它有它有一定的装饰作用，又是一定的装饰作用，

16、又是屋顶和屋身的过渡。屋顶和屋身的过渡。此此外，它还是封建社会森外，它还是封建社会森严的等级制度的象征和严的等级制度的象征和重要的建筑尺度衡量标重要的建筑尺度衡量标准。准。斗拱一般使用在高斗拱一般使用在高级的官式建筑中，称为级的官式建筑中，称为大式建筑。大式建筑。因为斗拱的因为斗拱的重要性，历代建筑对它重要性，历代建筑对它十分重视，使它成为判十分重视，使它成为判断建筑时代的重要标志断建筑时代的重要标志之一。之一。 苗族、水族、侗族、瑶族、土族等少数民族居住的干栏式建筑。这种楼房往往依山傍水建成，体现人与自然的和谐。“鸟巢鸟巢” 形态如同孕育生命的形态如同孕育生命的“巢巢”，它更像一个，它更像一

17、个摇篮，摇篮，寄托着人类对未来的希望。寄托着人类对未来的希望。设计者们坦率地把结构暴露设计者们坦率地把结构暴露在外，因而自然形成了建筑的外观。走近去，可以发现在外，因而自然形成了建筑的外观。走近去，可以发现“鸟巢鸟巢”银灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖银灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，其，其中包含着一个中包含着一个土红色的碗状体育场看台土红色的碗状体育场看台。在这里，中国。在这里，中国传统文化中传统文化中镂空的手法、陶瓷的纹路、红色的灿烂与热镂空的手法、陶瓷的纹路、红色的灿烂与热烈，与现代最先进的钢结构设计烈，与现代最先进的钢结构设计完美地相融在一起。完美地相融在一起。 “水立方水立方” 的膜结构已成为世界之最。它是的膜结构已成为世界之最。它是根据细胞排列形式和肥根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构皂泡天然结构设计而成的。这个看似简单的设计而成的。这个看似简单的“方盒子方盒子”是是中国传统中国传统文化和现代科技文化和现代科技共同共同“搭建搭建”而成的。在中国传统文化中而成的。在中国