B1.1第一节什么是结构

第一节

结构与设计了解结构蜜蜂是大自然的建筑大师，蜂巢结构精巧美观。每间蜂房都是大小相等的六棱柱体，底面由3个全等的菱形面封闭起来。天津中钢国际广场“蜂巢”既是建筑的外表皮，也是建筑结构的受力主体。这样核心筒之外的内部空间不再需要额外的柱子支撑，因此室内空间获得了极大的灵活性。这是一次将力与美有机结合的大胆尝试和创新。应县古塔

建于公元1056年，至今已历近千年应县古塔是现今绝无仅有的最高、最古老的重楼式纯木结构塔，全塔高67.3米。塔身共分五层六檐。

木塔减震设计超过现代

地质基础坚硬麻燕代代护塔

万里长城埃菲尔铁塔

EiffelTower

1889年，法国大革命100周年，巴黎举办了大型国际博览会以示庆祝。它成为当时席卷世界的工业革命的象征。埃菲尔铁塔除了四个脚是用钢筋水泥之外，全身都用钢铁构成，塔身总重量7000吨。塔分三层，第一层高57米，第二层115米，第三层274米。除了第三层平台没有缝隙外，其他部分全是透空的。从塔座到塔顶共有1711级阶梯，现已安装电梯，故十分方便。每一层都设有酒吧和饭馆，供游客在此小憩，领略独具风采的巴黎市区全景：每逢晴空万里，这里可以看到远达70公里之内的景色。赵州桥

河北省赵县的赵州桥（又称安济桥该桥在隋大业初年（公元605年左右）为李春所创建，是一座空腹式的圆弧形石拱桥，净跨37m,宽9m，拱矢高度7.23m，在拱圈两肩各设有二个跨度不等的腹拱，这样既能减轻桥身自重，节省材料，又便于排洪、增加美观.赵州桥距今1400多年，经历了10次水灾，8次战乱和多次地震，特别是1966年3月8日邢台发生7.6级地震，赵州桥距离震中只有40多公里，都没有被破坏。1963年的水灾大水淹到桥拱的龙嘴处，据当地的老人说，站在桥上都能感觉桥身很大的晃动。据记载，赵州桥自建成至今共修缮9次。.

赵州桥日本明石海峡大桥1998年4月5日，世界上目前最长的吊桥——日本明石海峡大桥正式通车。大桥坐落在日本神户市与淡路岛之间(东经135度01分，北纬34度36分）.明石海峡大桥按可以承受里氏8.5级强烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴风设计。1995年1月17日，日本坂神发生里氏7.2级大地震（震中距桥址才4公里），大桥附近的神户市内5000人丧生，10万幢房屋夷为平地，但该桥经受住了大自然的无情考验，只是南岸的岸墩和锚锭装置发生了轻微位移，使桥的长度增加了0.8m。该桥在阪神地震中仅有微小损坏，由于地面运动。两塔基础之间的距离增加了80cm，桥塔顶倾斜了10cm，使主跨增加了近80cm，从而接近于l991m，主缆垂度因此减少了130cm。位于本州岛与四国岛之间，主跨1991米（960+1991+960），全长3911米，双向六车道，加劲梁14米，抗震按1/150的频率,8.5级强烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴风设计，为目前世界上跨度最大的悬索桥，也是世界上最长的双层桥结构与力被风吹断的塔科马大桥为什么悬索桥中的桥塔受到压力作用？主缆受拉应力，且主缆搭在索鞍上，可自由滑动，所以主塔只承受压力，如主缆与主塔固结，则主塔中会有弯曲力存在。扭曲力，剪切力结构的分类壳体结构实体结构框架结构组合结构第二节探究结构教学目标：1、了解结构稳定性和结构强度的概念。2、理解影响结构稳定性和结构强度的主要因素，区分结构稳定性和结构强度。3、了解内力和应力的概念，知道内力和应力的关系。彩虹桥坍塌后惨状坍塌前的彩虹桥彩虹桥坍塌后的惨状

坍塌原因：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接不合格，存在严重缺陷，个别焊缝有陈旧裂痕。

构件连接处的强度是影响整个结构强度和稳定性的重要因素。构件连接处的强度取决于它的连接方式、连接技术和连接处的牢固程度等。重建后的彩虹桥04年5月23日，巴黎戴高乐机场2Ｅ候机厅顶棚发生坍塌事故，事故原因：金属构件本来也负担着顶棚的重量，但弧度结构上的裂痕使这个构件逐渐穿过了顶棚，不再支撑数十吨重的顶棚，最终导致拱形顶棚发生坍塌。台风过后物体受到外力作用，原有的平衡状态被打破出现的不稳定现象。超高的车辆容易翻倒1、结构稳定性含义：结构在荷载作用下维持其原有平衡形式的能力。一、结构的稳定性

结构的支撑面积支撑面积越大，越稳定问题：哪个稳定性更好？为什么？2、影响结构稳定性的因素铝合金A字形梯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?摄影棚的摄像机、射灯均为三角架支撑1、为什么大坝的横截面总是建成梯形的？想一想：2、为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜的？接触面与支撑面的区别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的点的连线与地面构成的面。接触面支撑面结构的重心位置重心越低，越稳定

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。这是利用了什么原理？由此你得出什么结论？

独脚茶几的高度设计得比较低，底座采用较重的材料（如大理石），台面采用比底座轻的材料（如木材），使茶几的重心降低，以提高稳定性。想一想：结构稳定性的基本条件：重心所在点的垂线应落在结构支撑面内。【思考】比萨斜塔为何斜而不倒？重心所在点的垂线落在结构支撑面内巩固提高观察学校的篮球架，并思考篮球架要有较高的稳定性，可以怎样做？结构的几何形状三角形稳定性。照相机的支撑架常使用三角架而不用其他形状，是因为三角支架与地面有三个接触点，形成的三角结构使照相机的支撑架更容易稳定。

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？想一想：【思考】1.静态的自行车是如何保持稳定的?双脚支撑的支撑架与地面之间有两个接触点，这两点与前轮和地面的接触点构成三点支撑形式，自行车的重心落在前轮与支撑架构成的支撑面内，它是稳定的。单脚支撑形式的支撑脚和地面的接触点与前、后轮和地面之间的接触点共同构成三点支撑，在地面形成⊿ABC。它的稳定程度取决于单脚支撑架的倾斜度，在一定范围内，支撑架与地面的夹角越小（自行车的车身越斜），⊿ABC的面积越大，自行车的重心容易落在三角形内，稳定性越好。2.自行车骑起来时，只有两个支撑点，为什么不会倒？注意！运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同。3.陀螺静止状态会倾倒，而高速旋转时却可以立起来？

结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。如在地震多发地区，人们将啤酒瓶之类的物体倒置在地上，利用这一不稳定的结构实现预报地震的功能。hGL>Fh平衡保持不变，反之跨栏就要绕O轴按逆时针方向转动。对跨栏过程的分析：二、结构的强度（一）基本概念1、内力：构件在外力作用下会变形，同时构件内部各质点之间的相互作用力发生了改变，这种作用力的改变称作内力。

2、应力：构件单位截面面积上所受的内力。

σ=N/Aσ——应力，N——内力，A——截面面积3、强度：构件和材料抵抗破坏的能力。4、应力和强度的关系：用应力来衡量强度应力应力小，变形就小，抗变形能力就大。（二）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横截面形状铰连接刚连接1、使用的材料①结构的强度与材料有关纸杯钢杯塑料杯②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。

2、结构的形状:

注意：结构形状对强度的影响有两点，一是结构的外部形状，二是结构的横截面形状。三角形结构结实、稳定，所用材料最少。A字形梯不采用铝合金薄片，而采用长方形截面的构件。说明构件截面的形状影响着结构的强度。相同材料，相同截面积，不同截面形状的构件强度不同。

几种不同截面形状的构件型材在相同结构强度的情况下，具有用料少，质量轻等优点，被广泛应用。铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动。具体有松螺栓、松铆等。刚连接：被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动。具体有榫接、胶接、焊接、铆接、螺接等。

结构构件的连接通常有以下两类：

3、结构的连接：

结构的连接是指通过一定的连接物将构件组成整体结构。铰接伞骨间的连接铆接金属框架连接不易焊接铝板连接螺栓和螺母榫接榫接胶接黏接金属材料与其他材料的联接，有间隙存在的金属件之间的连接，补修金属件的破损焊接锡焊电焊气焊焊接电路板电子元件连接铜（铁）材料的小型件连接承受强度较大金属件连接受力大金属件自行车车架的连接综合分析：从材料形状方面考虑，吊兰用的是三角形支架而不是其它形状是因为三角形结构结实、稳定，所用材料最少。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，是因为钢管抗拉性能好。从连接方式考虑，吊兰的三角形支架的构件是焊接的而不是捆绑的，是因为这种连接方式更牢固。吊兰支撑架的强度结构的变化可能导致功能的变化四、结构的强度和稳定性试验雨伞与拐杖一把撑开的雨伞，是通过伞的骨架和伞面的受力以实现遮风挡雨功能的，而收起的伞则可以通过伞的主干骨受力实现拐杖的功能。

【小结】

1、结构稳定性：结构在荷载作用下维持其原有平衡形式的能力。影响结构稳定性的因素：结构的支撑面积（支撑面积越大，越稳定）结构的重心（重心越低越稳定，重心所在点的垂线落在结构支撑面内）结构的形状（三角形的稳定性）2、结构强度：构件和材料抵抗破坏的能力。影响强度的因素：材料、形状（结构的外部形状和横截面形状）、材料连接方式3、强度与稳定性的联系与区别：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。4、应力和强度的关系：用应力来衡量强度。应力小，变形就小，抗变形能力就大。5、内力：构件在外力作用下会变形，同时构件内部各质点之间的相互作用力发生了改变，这种作用力的改变称作内力。

6、应力：构件单位截面面积上所受的内力。

σ=N/Aσ——应力，N——内力，A——横截面积巩固测试：1、我们常用的A形梯不直接采用铝合金片，而用长方形截面的铝合金构件，这说明影响结构强度的是（）

A.构件截面的形状B.材料

C.重心的高低D.连接方式2、空调的外机支架通常采用三角形结构，而不用一根直杆挑起的结构，这说明以下哪个因素影响着结构强度（）

A.材料B.形状

C.构件D.连接方式3、分别在一根竹竿和一根同样尺寸的脆性塑料杆上不断加挂相同质量的重物，竹竿比脆性塑料杆能挂更多重物而不会断裂，这可表明下列那项影响结构的强度（）

A.材料B.结构的形状

C.构件横截面形状D.构件的连接方式

ABA4、房子、桥梁的衍架大多数是由多个三角形构成的。这是运用了三角形的什么原理（）A.三角形简单B.三角形美观C.三角形用料少D.三角形稳定5、2010年高考题：结构的形状会影响其强度和稳定性。下列水库坝体结构抵抗水作用最强的是（）DC一常见结构的认识1.什么是结构?2.结构与力3.结构的类型知识回顾1.结构与稳定性2.结构与强度3.结构与功能二稳固结构的探析重心、支撑面、形状形状、材料、连接方式三简单结构的设计

在我们的日常生产生活中，如果没有丰富的结构设计，我们的生活就会单调而乏味；如果没有丰富的结构设计，我们的生活会黯淡无光；如果没有丰富的结构设计，我们将生活在没有色彩的世界里。因此，结构设计对我们的日常生产生活起着极其重要的作用。1.结构设计的目标及要求以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需求。例：儿童自行车的结构设计代步、锻炼手脚链轮和链条不可裸露车把车闸内距不超6cm，外距不超8cm功能基本需求规范外形、色彩等商业建筑设计规范商店营业厅的出入门、安全门净宽度不应小于1.40m，不应设置门槛。营业部分的公用楼梯、坡道应符合下列规定：（1）室内楼梯~~~（2）室外台阶~~（3）轮椅使用的坡道~~阅读

一项产品在结构设计时不仅要考虑其功能或目标的实现，还应注意产品结构设计的国家标准和规范要求。【马上行动】列举你所知道或听说过的关于结构设计类的国家标准或规范。生活中：

。工农业生产中：

。铅笔的设计标准、饮料包装盒的食品安全标志等儿童玩具安全规范、药品名称规范等桥功能问题桥功能问题桥功能问题桥功能问题成本问题安全问题美观问题2.结构设计应考虑的主要因素(观察:桥梁结构设计所考虑的因素!)强度稳定性美观安全寿命等```个性化需要功能成本结构设计3简单结构的设计案例斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。

斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。世界首座弧形钢塔斜拉桥南京建成通车07年5月13日，法国马拉松赛参赛者在世界最高斜拉桥上飞奔。该桥横跨法国南部城镇密佑附近的塔恩河上的山谷,高343米，甚至高过了埃菲尔铁塔而且仅仅比帝国大厦低38米，堪称世界最壮观的公路桥。密佑高架桥长2460米，整个结构耗费钢材36000吨，占大桥重量的四分之一，其他部分是用混凝土建造的。杭州湾大桥的设计方案杭州钱江大桥结构

多瑙河桥是跨越多瑙河的一座混凝土斜拉桥，全长406m，通航孔177m，截面采用具有较好的抗风和抗震性能的箱形截面。著名桥梁设计稳定性\强度\成本\功能\美观\个性化需要\寿命\安全等

福斯湾悬臂钢桁架桥位于英国苏格兰东海岸，为19世纪末期世界上最大的双线铁路、悬臂刚桁架桥，该桥1883年开工，1889年竣工。著名桥梁设计稳定性\强度\成本\功能\美观\个性化需要\寿命\安全等

著名桥梁设计稳定性\强度\成本\功能\美观\个性化需要\寿命\安全等高明桥是一跨越西江的大型公路桥，主通航孔采用中承式钢管混凝土拱，引桥系钢筋混凝土肋拱，属于弓形拱桥。著名桥梁设计稳定性\强度\成本\功能\美观\个性化需要\寿命\安全等维拉札诺桥位于美国纽约，是跨越维拉札诺海峡的双层公路悬索桥。双面悬索，每面均为双索工艺品设计稳定性\强度\成本\功能\美观\个性化需要\寿命\安全等二、结构设计应考虑的主要因素【案例分析】户外广告牌结构设计中的抗风问题在户外广告牌的结构设计中，应该考虑其抗风性能，以减小正面风的压力。请你就户外广告牌设计中的抗风问题，提出两种以上可行的方案设计方案内容实现的方式、方法、途径方案1方案2方案3增加结构的强度加固支撑架、连接点减小受力面积采用通风孔改变结构形状采用立体环绕4.案例:简易相片架的设计（1）设计要求：（2）设计分析：（3）设计准备：（4）设计方案：稳定性\强度\成本\功能\美观\个性化需要\寿命\安全等相框的设计~~支架设计~~相框与支架的连接~~相片架设计方案A方案B方案C创意相框设计创意相框设计结构设计的目标和主要因素

结构设计以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需求。

主要因素：稳定性、强度、安全因素、审美需求、个性需要、成本、使用寿命等等经典结构的欣赏优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上,也表现在形式上,特别是功能与形式的统一上。古今中外许多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起来,形成了一些经典的结构。如何赏析结构设计作品？赏析结构设计作品,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、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。（2）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、习俗方面的特征、结构的个性特征等。阅读：案例分析赵州桥赵州桥又名安济桥，建于隋大业(公元605-618)年间，是著名匠师李春建造。桥长64.40米，跨径37.02米，是当今世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥。因桥两端肩部各有二个小孔，不是实的，故称敞肩型，这是世界造桥史的一个创造（没有小拱的称为满肩或实肩型）。赵州桥距今已1400年，经历了10次水灾，8次战乱和多次地震，特别是1966年邢台发生的7.6级地震，邢台距这里有40多公里，这里也有四点几级地震，赵州桥都没有被破坏，著名桥梁专家茅以升说，先不管桥的内部结构，仅就它能够存在1400多年就说明了一切。1963年的水灾大水淹到桥拱的龙嘴处，据当地的老人说，站在桥上都能感觉桥身很大的晃动。据记载，赵州桥自建成至今共修缮8次。

饕餮,最贪吃,能吃能喝,常饰于鼎的盖子上。因它能喝水,几乎在古代桥梁外侧正中都能见到,防止大水将桥淹没。

赵州桥栏板上的饕餮(仿隋朝栏板）

1991年9月，赵州桥被美国土木工程师学会选定取为第十二个“国际土木工程里程碑”，并在桥北端东侧建造了“国际土木工程历史古迹”铜牌纪念碑。案例分析：飞檐、斗拱

岳阳楼飞檐5层，从楼的纵向看各层排檐与楼名直接有关，形如黄鹤，展翅欲飞。整座楼的雄浑之中又不失精巧，富于变化的韵味和美感。

黄鹤楼斗拱斗拱是中国木构架建筑特有的结构构件，在结构上挑出承重，并将屋顶的大面积荷载经斗拱传递到柱上。它有一定的装饰作用，又是屋顶和屋身的过渡。此外，它还是封建社会森严的等级制度的象征和重要的建筑尺度衡量标准。斗拱一般使用在高级的官式建筑中，称为大式建筑。因为斗拱的重要性，历代建筑对它十分重视，使它成为判断建筑时代的重要标志之一。

释迦木塔位于应县城内西北佛宫寺内，俗称应县木塔。建于辽清宁二年（公元1056年），金明昌六年（公元1195年）增修完毕。是我国现存最高最古的一座木构塔式建筑。为全国重点文物保护单位。应县木塔的设计，广泛采用斗拱结构，全塔共用斗拱54种，每个斗拱都有一定的组合形式，设计科学严密，构造完美，巧夺天工，是一座既有民族风格、民族特点，又符合宗教要求的建筑，在我国古代建筑艺术中可以说达到了最高水平，即使现在也有较高的研究价值。应县木塔太和殿俗称“金銮殿”，殿高35.05米，为重檐庑殿式，面积2,377平方米,共55门,72根大柱,其中6根是缠龙金柱,是宫中最高大的建筑

中和殿。在太和殿举行大典时，皇帝先到中和殿稍事休息，更衣后再到太和殿。

保和殿。每年除夕，清代皇帝在保和殿举行宴会，赐宴外藩、蒙古王及文武大臣。这里也是考状元的地方，殿试由皇帝亲自命题，前十名的卷子还要由皇帝亲自阅看，前三名分别为状元、榜眼、探花，赐进士及第。

重脊的顶端为骑凤仙人，后面依次排列鴟吻(音吃吻，龙的九子

之一)、狮子、天马、海马、狻猊、狎鱼、獬豸、斗牛、行什。装饰物越多，建筑等级越高。太和殿是我国唯一有十个饰物的建筑。

中国古建筑以木材、砖瓦为主要建筑材料，以木构架结构为主要的结构方式。此结构方式，由立柱、横梁、顺檩等主要构件建造而成，各个构件之间的结点以榫卯相吻合，构成富有弹性的框架。木构架结构有很多优点。首先，承重与围护结构分工明确，屋顶重力由木构架来承担，外墙起遮挡阳光、隔热防寒的作用，内墙起分割室内空间的作用。由于墙壁不承重，这种结构赋予建筑物以极大的灵活性。其次，有利于防震、抗震。木构架结构很类似今天的框架结构，由于木材具有的特性，且构架的结构所用斗拱和榫卯又都有若干伸缩余地，因此在一定限度内可减少由地震对这种构架所引起的危害。“墙倒屋不塌”形象地表达了这种结构的特点。中国古代建筑的特点阅读：案例分析蛋形