搜索
第一章结构与设计第二节探究结构与稳定性我国首座斜靠式系杆拱桥——义乌丹溪大桥主桥为钢管混凝土拱桥，主跨88米，主拱之间没有横撑，采用斜靠拱抵抗侧向水平力。外观优美，不像受普通钢管拱横撑的影响，视野开阔。桥面钢主梁采用顶推/牵引法施工，横梁、拱圈采用带悬臂的龙门吊吊装施工。魁北克大桥的垮塌上海楼房倒塌高压电线塔的垮塌那到底什么样的结构是稳定的，什么样的结构又是不稳定的？结构稳定与不稳定的程度又如何评价？结构的稳定性：结构的稳定性是指结构在负载的作用下，维持原有平衡状态的能力。结构的稳定性与什么因素有关？想一想：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。因素一：支撑面积的大小接触面支撑面注意：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。支撑面积越大，结构越稳定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因素：支撑面积的大小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，稳定性就越好。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，它的重心位置升高了，当铁环达到一定数量时，不倒翁就不在是不倒翁了。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。C.比萨斜塔为什么不倒塌？1590年，意大利的伟大科学家伽俐略，曾在斜塔的顶层做过自由落体运动的实验，让两个重量相差10倍的铁球，同时从塔顶落下，结果，两球同时着地，一举推翻了束缚人们思想近2000年的希腊著名学者亚里士多德关于重量不同的物体其下落的速度也不相同的“物体下落速度与重量成正比”的理论。伽俐略开创了实验物理的新时代，被人们称为“近代科学之父”，而他用来做实验的斜塔也因而更加遐迩闻名。比萨斜塔从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1．25毫米的速度向南倾斜。到1999年1月，塔顶比中轴线偏斜已达4．8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。通过分析长方体重心的垂线位置与稳定性示意图，使学生容易理解，比萨斜塔不倒的原因是它的重心所在点的垂线落在塔的底面的范围内。当塔倾斜到一定程度，重心的垂线不再落在塔的底面时，塔就会倾倒。结构重心的位置：结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没有就是不稳定的。因素：重心位置的高低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。总结影响结构稳定性因素: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。因素二：重心位置2.结构的稳定性与重心位置有关。物体重心越低，越稳定。因素三：几何形状3.结构的稳定性与它的几何形状有关。补充：三角形稳定性的应用：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。在使用图中的两种形状的茶几时，需要注意什么才能使他们保持稳定？生活中我们有这样的经验，一个物体要有三个支撑点才能稳定，如果只有两个就会倒下。但是，自行车在骑起来时，却只有两个支撑点，为什么不会倒下？陀螺效应：凡是高速旋转的物体，都有一种使转动轴保持不变的能力，这种能力使得陀螺即使在不平的支持面上转动也不会倒下。所以一旦自行车运动起来后，转动的车轮也具备这种能力，这种能力使得自行车即使发生了倾斜，也能自动地把自行车调整过来，这就是自行车不倒的原因。欹（音qī奇）器，又常被称做歌器。它是一种灌溉用的汲水罐器，是我国古代劳动人民在生产实践中的创造。欹器有一种奇妙的本领：未装水时略向前倾，待灌入少量水后，罐身就竖起来一些，而一旦灌满水时，罐子就会一下子倾覆过来，把水倒净，尔后又自动复原，等待再次灌水。拓展：不稳定的结构应用：如移动门、折叠椅等等１.倒置的啤酒瓶可以预报地震。２.在打水的桶口边挂一重物，在水面时能自动翻倒打水。(3)在我国四川的广汉三星堆出土的器具有许多都是尖底的。怎么摆放才稳定呢？练习:(1)在拥挤的公共汽车上已没有座位，你必须站着，而扶手你让给了旁边的老人，你在公共汽车上要如何才能保持自己的没摔倒？(2)货物应尽量放在船舱里还是甲板上？为什么？人的身体的稳定性取决于支撑面的大小和人体姿势重心的高低，在一定范围内，两脚分得越开，则重心越低，支撑面变大，越稳定！结构的强度：指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。这里“破坏”的含义是指在外力作用下，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，即称构件破坏。强度与稳定性研究方向：稳定性研究的是物体保持平衡状态的能力。强度研究的是结构不被外力破坏的能力。结构与强度P16（二）结构的强度结构具有的抵抗被外力破坏的能力。结构的强度是指：强度与稳定性的联系与区别：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，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。拔河的绳子断裂广告牌被台风吹倒广告牌支撑柱被台风吹断鸡蛋在某种情况下可以承受很大的力汽车外壳在撞击下变形挂在天花板上的日光灯被风吹的摇摇晃晃稳定性强度强度强度强度稳定性以下这些现象是稳定性还是强度问题？知识应用理解：内力随着外力的变化而变化，外力增加时，内力也增加，外力去掉后，内力也将随之消失。显然，作用在构件上的外力使其产生形变，而内力的作用则使受力构件恢复原状，内力对变形起抵抗和阻止作用。外力：对于所研究的构件而言，其它的物体作用于该构件上的力均为外力。内力：构件在受到外力作用而变形时，其内部各部分之间将产生相互作用力，这种由外力作用而引起的物体内部的相互作用力，称为材料力学中所研究的内力。（书本定义：当一个结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用会发生改变,产生一种抵抗的力,称为内力。）应力是构件单位横截面上所产生的内力。σ=F/s应力超过某一极限值时，结构就会遭到破坏。应力与强度的关系：强度问题是指结构在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力是否超过材料的极限强度，因此是一个应力问题。可承受的应力越大，则结构的强度越大。结构与力P17两根材料相同，粗细不同的绳子，哪根更容易断，为什么？（1）结构的形状影响结构强度的主要因素结构的外部形状三角形结构强度比较大探究为什么矿泉水瓶表面上有若干凸起的横向纹路，它的作用是什么?结构构件的截面形状结构的外形相同，构件的截面不同，其强度不一样。小试验测试用不同截面形状的构件做成的悬梁的强度如果把纸才成铁的，同样的截面形状强度一样吗？（2）结构的材料影响结构强度的主要因素相同的结构材料不同强度也不同•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。（3）结构的连接方式•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、焊接等。注意：一个结点可以有多种连接方式。不同的材料有不同的连接方式；构件的连接方式不同，结构的强度也不同。例如：同样的钢铁，铆接与焊接的连接强度是不同的。影响结构强度的主要因素铰连接：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。刚连接榫接胶接焊接刚连接：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。胶接榫接结点是从连接的效果来划分。一个结点可以有多种连接方式。不同的材料有不同的连接方式；构件的连接方式不同，结构的强度也不同。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、结构与功能为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜？这是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。接触面支撑面注意：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。A．支撑面越来越大，结构越来越稳定B．重心越来越低，结构越来越稳定C．稳定性从差逐渐变好，又从好逐渐变差D．稳定性从好逐渐变差，又从差逐渐变好如图所示，自行车在单脚支撑杆的支撑下保持稳定。如果不断地扩大支撑杆与自行车之间的夹角θ，结果是（）θ练习：end