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地质版（2019）必修《技术与设计2》第一章 结构及其设计第五节 典型结构欣赏和结构设计评价一 典型结构欣赏一等奖课件ppt
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这是一份地质版（2019）必修《技术与设计2》第一章 结构及其设计第五节 典型结构欣赏和结构设计评价一 典型结构欣赏一等奖课件ppt，共26页。PPT课件主要包含了问题思考，阅读材料等内容，欢迎下载使用。
衣帽架悬挂衣帽需要承受一定的力，不同结构类型的衣帽架承受的力可能有所不同。你认为衣帽架主要承受哪些力?
不同的结构，能承受不同的力，抵抗不同的变形。结构如何承受力?如何抵抗变形?
一、单杠结构分析(一) 单杠的结构单杠是常见的休育器械，结构并不复杂,如图1-16所示。单杠的构件有杠体、立柱和拉杆。杠体是器械的主体,立柱和拉杆共同支撑杠体并承受荷载。单杠为什么要采用这样的结构呢?这需要做受力与变形分析。问题思考构件可由不同材料构成。图1-16所示的单杠，其构件各有什么特点?它们为什么要这样搭配和组合?
阅读材料拉伸、压缩与弯曲构件受到外力F作用时，会发生形状或大小的改变，这种改变常称为变形。变形有的明显，有的不明显。前面的实例中，吊车的吊绳承受的外力是拉力，拉力所产生的变形为拉伸;板凳腿承受的外力是压力，压力所产生的变形为压缩。拉伸和压缩都是荷载作用的结果。当杆件受到与杆轴线相垂直的外力作用时，杆件产生的变形为弯曲。发生弯曲变形的杆件,称作梁。当板凳很长时,凳面可视为梁。此时凳面在人的体重(或重物)等外力作用下,会发生弯曲变形，只是这种变形可能很小，肉眼不易看出来。而跳水的跳板发生的弯曲变形却是非常明显的。弯曲变形如图1-17和图1-18所示。
长条板凳的凳面和跳板，同视为梁。然而,在使用中,不让前者发生明显变形，却让后者发生明显变形。这是基于什么考虑而设计的?
(二）杠体的受力与变形当杆件受到垂直于杆件轴线的外力(通常称为横向力)作用时,杆件将发生弯曲变形。弯曲变形的特点是杆件轴线由直线变成曲线，变形杆件绕杆件原轴线做相对转动。单杠的杠体作为一种结构的基本构件，其工作状态不完全与跳板相同。单杠可视为一种具有双支撑点的梁，而跳板是只有单支撑点的梁(悬臂梁)。两者的支撑情况有别,受力与变形情况也就不一样。运动员在杠体上做各种动作，如大回环等，通过握杠体的手，对杠体施加了外力，即回转运动产生的离心力，使得杠体发生弯曲变形。值得注意的是,杠体弯曲变形的方向,是随人体回转所到的空间位置变化而变化的，即杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向发生弯曲。
(三）立柱、拉杆的受力与变形单杠的立柱,是总荷载(杠体和人体）的主支撑单元。当人体静挂或静骑在杠体上时，两根立柱只承受压力。如图1-19所示,立柱的底部埋在地下,其主要作用是防止立柱的底部发生位移,在4根张紧的拉杆作用下,使单杠整体保持着稳定性。当人体位于单杠前侧时,后侧拉杆张力增加以平衡运动员通过杠体传递到立柱的水平向右的分力;反之，当人体位于单杠后侧时,前侧拉杆张力增加以平衡运动员通过杠体传递到立柱的水平向左的分力。因此两根立柱以承受压力为主，主要变形为压缩变形;而拉杆始终处于张紧状态,主要变形为拉伸变形。
二、棚室屋架结构分析日光温室和塑料棚，在现代农业生产中被广泛采用,利用温室育花也屡见不鲜。因此，需要因地制宜地设计和建造日光温室和塑料棚的结构型式。棚室屋架结构是怎样受力的呢?(一）棚室荷载与立柱受力棚室屋面下边的梁、立柱和墙,共同承受着屋顶部的荷载。这里的荷载有静载与动载之分。对于立柱和墙来说,静载包括屋面、梁(有时还有凛)的重量，属于不随时间变化的永久性荷载;动载包括雪载、风载等，属于随天气情况变化的可变性荷载。荷载给立柱和墙主要施加压力。这里的压力,由永久性荷载和雪载生成。图1-20表示了立柱受压力时的情形。图中，F1为荷载施加于立柱的压力,F1'为立柱基础作用于立柱的反作用力。
荷载中的风载,作用于棚室的情况比较复杂,它与风的作用方向有关。将风载生成的作用力，按沿着立柱轴线和垂直轴线的两个方向分解后，立柱受力的情形如图1-21所示。图中， F1为沿立柱轴线方向的作用力(压力), F2为垂直立柱轴线方向的作用力。图中M'、 F1 '、 F2'为立柱基础作用于立柱的弯矩与反作用力。如前所述,压力要引起压缩变形，弯矩要引起弯曲变形。通过棚室结构的合理设计,立柱将会抵抗住压缩与弯曲两类变形。
(二）梁的受力荷载作用传到梁上,梁受力变形,如图1-22所示。图中,在荷载作用下,梁的上部轴向受压，下部轴向受拉。在上部和下部之间必有一层既不受拉也不受压，称为中性层。对棚室屋面的支撑梁来说,它受的力被传递到其支撑点(如立柱或墙)上，通过合理设计，可以使梁不产生明显弯曲。防止梁过分弯曲的最简单方法,是在梁的下面增加支撑点。这样,梁传递下来的力就被分摊了。
(三）拱结构的应用棚室一般多采用拱结构。拱结构，即中间高四周低，呈弧形曲面的一种结构。拱结构对承受荷载有利。荷载压力作用于拱上，拱把力传到其四周的支撑上。如雪载，它是作用在屋面上的垂直荷载。屋面上积雪的程度不仅与降雪量有关,而且与屋面形状和坡度有关。屋面拱度愈大，积雪愈浅，雪压愈小。多注意观察，就会发现:在较大的跨度情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载,又美观。
三、钢箱梁桥结构分析生活中存在各种梁的应用实例，特别是在桥梁工程和建筑工程中，普遍采用梁理论进行结构分析和设计。钢箱梁，又叫钢板箱形梁,是桥梁工程中梁的一种,内部为空心状，由顶板、底板、腹板和加劲肋等构件组成,外形像一个箱子,是大跨径桥梁常用的结构型式,具有质量小节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、安装迅速、外形简洁美观等特点。钢箱梁桥结构是怎样受力的呢?
港珠澳大桥的主梁结构港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、广东珠海、澳门的超级跨海通道。其中，青州航道桥的设计是港珠澳大桥最具特色的部分，它为双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥，主梁采用扁平流线型整体式钢箱梁，索塔采用横向H形框架结构，163 m的塔上端采用具有传统民族文化元素的“中国结”造型钢结构,寓意团圆回归、三地同心，如图1-23所示。
(一）荷载类型港珠澳大桥青州航道桥的首要功能是承载它所输运的交通荷载，支撑其自身的重量及其上的附属设施（如路灯、管线等)，还必须能抵御风、雨、温度变化及地震的作用。大桥的荷载包括竖向荷载和横向荷载,如图1-24所示。
( 1）竖向作用，q代表分布荷载（如桥体的自重)，代表集中荷载（如交通荷载)。(2)横向作用,q,代表分布荷载（如风荷载),2,代表集中荷载(如地震作用的效果)(3）纵向水平作用,，如地震作用或交通流制动或加速导致的效果。桥梁通过结构型式承担和传递水平与竖向荷载，桥梁结构不是二维平面结构，而是三维的空间结构，因此在荷载的作用下它表现出三维效应。在桥梁的设计过程中，工程师通常将三维结构划分为多个平面系统，这样的简化对于许多桥梁结构型式是合理的。结构必须能够承受上述三类作用。
(二）纵向结构型式港珠澳大桥青州航道桥为钢箱梁斜拉桥，跨距110 m+236 m+458 m+236 m+110 m，桥梁纵向结构（桥型布置）如图1-25所示。桥面板通过缆索悬挂，而缆索以拉力的形式传递荷载，斜拉索将荷载传递给桥塔，为桥面板提供了弹性支撑，如图1-26所示。
(三）横向结构型式港珠澳大桥青州航道桥主梁采用扁平钢箱梁结构,横截端面为带凤嘴扁平六边流线型，如图1-27所示，箱室内不设中间腹板，顶板和底板采用U形纵肋加强，具有抗扭和抗弯惯矩大、抗风能力强等特点。
几种常见结构的受力情况单杠和棚室屋架，其结构所承受的外力主要有拉力、压力及使单杠杠体发生弯曲变形的力。实际上，结构因其所负荷载形式的不同，相应承受的外力还有很多其他的力。例如，桥的荷载有人、车及载重物、冰雪、大风等。因此，桥除承受拉力、压力及使其发生弯曲变形的力之外，还承受因荷载分布不均匀、不对称而产生的扭矩。又如，梯子的横梁，除了承受压力及使其发生弯曲变形的力之外，在横梁与支柱的两个交接处还要承受剪切力。大坝与此类似，除承受河水作用的压力外，由于水深的变化还要承受剪切力。技术探究查阅相关资料,收集几种结构承受不同外力的例子。
开眼界梁、拱受力的简单图示1．梁的受力与变形为了区别拉应力和压应力,常以“+”表示拉应力,以“一”表示压应力,如图1-28和图1-29所示。在第三节中，将阐释应力的重要概念。
梁受力后，一部分纤维受压力而缩短，另一部分纤维受拉力而伸长。两部分之间有一层纤维既不缩短也不伸长，这层长度不变的纤维层称为中性层（图1-29)。对于整个梁来说，弯矩最大的横截面上的应力也最大，这个截面称为危险截面(图1-30)。梁的变形与梁的长度有关。在相同荷载作用下,梁越长,梁的变形越大(图1-31)。
梁横截面上的应力与梁的变形还与其横截面的几何形状有关,因此,若要提高梁抵抗破坏的能力和抵抗变形的能力,尽量将材料加在梁的高度上(即远离中性层的位置),这样会比加在宽度上更有效(图1-32)。另外,梁的强度也与梁的材料有关。如低碳钢、铝合金、铜等塑性材料抗拉能力与抗压能力基本相同,适合做梁，但成本高、变形大。而混凝土、石材、铸铁等脆性材料，变形小，但往往抗压能力远大于抗拉能力。土木工程中常用混凝土做梁，为避免受拉部分断裂，要在受拉一侧加上钢筋以承受拉力(图1-33 )。
梁的变形和材料的弹性有关(图1-34)。荷载越靠近梁的中央，变形量越大(图1-35 )。
2.梁的受力与平衡梁在外力作用下保持静止的状态称为平衡,其必须满足如下条件:
上式称为平衡条件或平衡方程，式中x、y、z为三维坐标轴(图1-36).
3.拱的受力静载,对于大棚来说，包括拱、梁、塑料膜及连接件共同构成的恒定荷载(图1-37、图1-38、图1-39)。拱是一种曲线形的结构。拱在竖向荷载作用下，端点受到水平方向的约束反力，常称为推力。由于这种推力的存在，拱结构任意截面内的弯矩，将比相当的梁在相同截面内的弯矩要小。拱结构一般比梁结构经济。因此,拱结构可以跨越较大的跨度。拱的结构示意图如图1-40所示。
拱的结构型式有三种：三较拱、两较拱和无较拱，如图1-41所示。一般大棚采用的是两饺拱。两饺拱的优点是由于两端是饺支座，因此支撑反力作用点的位置确定，计算比较简单。同时，支撑产生竖向沉陷时，两饺拱也不受什么影响（支座有水平变位时将引起两较拱的内力)。常见拱多为圆弧拱和抛物线拱。拱的应用很多，如天安门城楼的拱门、延安窑洞的拱门、赵州桥的拱形桥洞、砖窑的拱形门……你见到过哪些拱的应用实例?
衣帽架悬挂衣帽需要承受一定的力，不同结构类型的衣帽架承受的力可能有所不同。你认为衣帽架主要承受哪些力?
不同的结构，能承受不同的力，抵抗不同的变形。结构如何承受力?如何抵抗变形?
一、单杠结构分析(一) 单杠的结构单杠是常见的休育器械，结构并不复杂,如图1-16所示。单杠的构件有杠体、立柱和拉杆。杠体是器械的主体,立柱和拉杆共同支撑杠体并承受荷载。单杠为什么要采用这样的结构呢?这需要做受力与变形分析。问题思考构件可由不同材料构成。图1-16所示的单杠，其构件各有什么特点?它们为什么要这样搭配和组合?
阅读材料拉伸、压缩与弯曲构件受到外力F作用时，会发生形状或大小的改变，这种改变常称为变形。变形有的明显，有的不明显。前面的实例中，吊车的吊绳承受的外力是拉力，拉力所产生的变形为拉伸;板凳腿承受的外力是压力，压力所产生的变形为压缩。拉伸和压缩都是荷载作用的结果。当杆件受到与杆轴线相垂直的外力作用时，杆件产生的变形为弯曲。发生弯曲变形的杆件,称作梁。当板凳很长时,凳面可视为梁。此时凳面在人的体重(或重物)等外力作用下,会发生弯曲变形，只是这种变形可能很小，肉眼不易看出来。而跳水的跳板发生的弯曲变形却是非常明显的。弯曲变形如图1-17和图1-18所示。
长条板凳的凳面和跳板，同视为梁。然而,在使用中,不让前者发生明显变形，却让后者发生明显变形。这是基于什么考虑而设计的?
(二）杠体的受力与变形当杆件受到垂直于杆件轴线的外力(通常称为横向力)作用时,杆件将发生弯曲变形。弯曲变形的特点是杆件轴线由直线变成曲线，变形杆件绕杆件原轴线做相对转动。单杠的杠体作为一种结构的基本构件，其工作状态不完全与跳板相同。单杠可视为一种具有双支撑点的梁，而跳板是只有单支撑点的梁(悬臂梁)。两者的支撑情况有别,受力与变形情况也就不一样。运动员在杠体上做各种动作，如大回环等，通过握杠体的手，对杠体施加了外力，即回转运动产生的离心力，使得杠体发生弯曲变形。值得注意的是,杠体弯曲变形的方向,是随人体回转所到的空间位置变化而变化的，即杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向发生弯曲。
(三）立柱、拉杆的受力与变形单杠的立柱,是总荷载(杠体和人体）的主支撑单元。当人体静挂或静骑在杠体上时，两根立柱只承受压力。如图1-19所示,立柱的底部埋在地下,其主要作用是防止立柱的底部发生位移,在4根张紧的拉杆作用下,使单杠整体保持着稳定性。当人体位于单杠前侧时,后侧拉杆张力增加以平衡运动员通过杠体传递到立柱的水平向右的分力;反之，当人体位于单杠后侧时,前侧拉杆张力增加以平衡运动员通过杠体传递到立柱的水平向左的分力。因此两根立柱以承受压力为主，主要变形为压缩变形;而拉杆始终处于张紧状态,主要变形为拉伸变形。
二、棚室屋架结构分析日光温室和塑料棚，在现代农业生产中被广泛采用,利用温室育花也屡见不鲜。因此，需要因地制宜地设计和建造日光温室和塑料棚的结构型式。棚室屋架结构是怎样受力的呢?(一）棚室荷载与立柱受力棚室屋面下边的梁、立柱和墙,共同承受着屋顶部的荷载。这里的荷载有静载与动载之分。对于立柱和墙来说,静载包括屋面、梁(有时还有凛)的重量，属于不随时间变化的永久性荷载;动载包括雪载、风载等，属于随天气情况变化的可变性荷载。荷载给立柱和墙主要施加压力。这里的压力,由永久性荷载和雪载生成。图1-20表示了立柱受压力时的情形。图中，F1为荷载施加于立柱的压力,F1'为立柱基础作用于立柱的反作用力。
荷载中的风载,作用于棚室的情况比较复杂,它与风的作用方向有关。将风载生成的作用力，按沿着立柱轴线和垂直轴线的两个方向分解后，立柱受力的情形如图1-21所示。图中， F1为沿立柱轴线方向的作用力(压力), F2为垂直立柱轴线方向的作用力。图中M'、 F1 '、 F2'为立柱基础作用于立柱的弯矩与反作用力。如前所述,压力要引起压缩变形，弯矩要引起弯曲变形。通过棚室结构的合理设计,立柱将会抵抗住压缩与弯曲两类变形。
(二）梁的受力荷载作用传到梁上,梁受力变形,如图1-22所示。图中,在荷载作用下,梁的上部轴向受压，下部轴向受拉。在上部和下部之间必有一层既不受拉也不受压，称为中性层。对棚室屋面的支撑梁来说,它受的力被传递到其支撑点(如立柱或墙)上，通过合理设计，可以使梁不产生明显弯曲。防止梁过分弯曲的最简单方法,是在梁的下面增加支撑点。这样,梁传递下来的力就被分摊了。
(三）拱结构的应用棚室一般多采用拱结构。拱结构，即中间高四周低，呈弧形曲面的一种结构。拱结构对承受荷载有利。荷载压力作用于拱上，拱把力传到其四周的支撑上。如雪载，它是作用在屋面上的垂直荷载。屋面上积雪的程度不仅与降雪量有关,而且与屋面形状和坡度有关。屋面拱度愈大，积雪愈浅，雪压愈小。多注意观察，就会发现:在较大的跨度情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载,又美观。
三、钢箱梁桥结构分析生活中存在各种梁的应用实例，特别是在桥梁工程和建筑工程中，普遍采用梁理论进行结构分析和设计。钢箱梁，又叫钢板箱形梁,是桥梁工程中梁的一种,内部为空心状，由顶板、底板、腹板和加劲肋等构件组成,外形像一个箱子,是大跨径桥梁常用的结构型式,具有质量小节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、安装迅速、外形简洁美观等特点。钢箱梁桥结构是怎样受力的呢?
港珠澳大桥的主梁结构港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、广东珠海、澳门的超级跨海通道。其中，青州航道桥的设计是港珠澳大桥最具特色的部分，它为双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥，主梁采用扁平流线型整体式钢箱梁，索塔采用横向H形框架结构，163 m的塔上端采用具有传统民族文化元素的“中国结”造型钢结构,寓意团圆回归、三地同心，如图1-23所示。
(一）荷载类型港珠澳大桥青州航道桥的首要功能是承载它所输运的交通荷载，支撑其自身的重量及其上的附属设施（如路灯、管线等)，还必须能抵御风、雨、温度变化及地震的作用。大桥的荷载包括竖向荷载和横向荷载,如图1-24所示。
( 1）竖向作用，q代表分布荷载（如桥体的自重)，代表集中荷载（如交通荷载)。(2)横向作用,q,代表分布荷载（如风荷载),2,代表集中荷载(如地震作用的效果)(3）纵向水平作用,，如地震作用或交通流制动或加速导致的效果。桥梁通过结构型式承担和传递水平与竖向荷载，桥梁结构不是二维平面结构，而是三维的空间结构，因此在荷载的作用下它表现出三维效应。在桥梁的设计过程中，工程师通常将三维结构划分为多个平面系统，这样的简化对于许多桥梁结构型式是合理的。结构必须能够承受上述三类作用。
(二）纵向结构型式港珠澳大桥青州航道桥为钢箱梁斜拉桥，跨距110 m+236 m+458 m+236 m+110 m，桥梁纵向结构（桥型布置）如图1-25所示。桥面板通过缆索悬挂，而缆索以拉力的形式传递荷载，斜拉索将荷载传递给桥塔，为桥面板提供了弹性支撑，如图1-26所示。
(三）横向结构型式港珠澳大桥青州航道桥主梁采用扁平钢箱梁结构,横截端面为带凤嘴扁平六边流线型，如图1-27所示，箱室内不设中间腹板，顶板和底板采用U形纵肋加强，具有抗扭和抗弯惯矩大、抗风能力强等特点。
几种常见结构的受力情况单杠和棚室屋架，其结构所承受的外力主要有拉力、压力及使单杠杠体发生弯曲变形的力。实际上，结构因其所负荷载形式的不同，相应承受的外力还有很多其他的力。例如，桥的荷载有人、车及载重物、冰雪、大风等。因此，桥除承受拉力、压力及使其发生弯曲变形的力之外，还承受因荷载分布不均匀、不对称而产生的扭矩。又如，梯子的横梁，除了承受压力及使其发生弯曲变形的力之外，在横梁与支柱的两个交接处还要承受剪切力。大坝与此类似，除承受河水作用的压力外，由于水深的变化还要承受剪切力。技术探究查阅相关资料,收集几种结构承受不同外力的例子。
开眼界梁、拱受力的简单图示1．梁的受力与变形为了区别拉应力和压应力,常以“+”表示拉应力,以“一”表示压应力,如图1-28和图1-29所示。在第三节中，将阐释应力的重要概念。
梁受力后，一部分纤维受压力而缩短，另一部分纤维受拉力而伸长。两部分之间有一层纤维既不缩短也不伸长，这层长度不变的纤维层称为中性层（图1-29)。对于整个梁来说，弯矩最大的横截面上的应力也最大，这个截面称为危险截面(图1-30)。梁的变形与梁的长度有关。在相同荷载作用下,梁越长,梁的变形越大(图1-31)。
梁横截面上的应力与梁的变形还与其横截面的几何形状有关,因此,若要提高梁抵抗破坏的能力和抵抗变形的能力,尽量将材料加在梁的高度上(即远离中性层的位置),这样会比加在宽度上更有效(图1-32)。另外,梁的强度也与梁的材料有关。如低碳钢、铝合金、铜等塑性材料抗拉能力与抗压能力基本相同,适合做梁，但成本高、变形大。而混凝土、石材、铸铁等脆性材料，变形小，但往往抗压能力远大于抗拉能力。土木工程中常用混凝土做梁，为避免受拉部分断裂，要在受拉一侧加上钢筋以承受拉力(图1-33 )。
梁的变形和材料的弹性有关(图1-34)。荷载越靠近梁的中央，变形量越大(图1-35 )。
2.梁的受力与平衡梁在外力作用下保持静止的状态称为平衡,其必须满足如下条件:
上式称为平衡条件或平衡方程，式中x、y、z为三维坐标轴(图1-36).
3.拱的受力静载,对于大棚来说，包括拱、梁、塑料膜及连接件共同构成的恒定荷载(图1-37、图1-38、图1-39)。拱是一种曲线形的结构。拱在竖向荷载作用下，端点受到水平方向的约束反力，常称为推力。由于这种推力的存在，拱结构任意截面内的弯矩，将比相当的梁在相同截面内的弯矩要小。拱结构一般比梁结构经济。因此,拱结构可以跨越较大的跨度。拱的结构示意图如图1-40所示。
拱的结构型式有三种：三较拱、两较拱和无较拱，如图1-41所示。一般大棚采用的是两饺拱。两饺拱的优点是由于两端是饺支座，因此支撑反力作用点的位置确定，计算比较简单。同时，支撑产生竖向沉陷时，两饺拱也不受什么影响（支座有水平变位时将引起两较拱的内力)。常见拱多为圆弧拱和抛物线拱。拱的应用很多，如天安门城楼的拱门、延安窑洞的拱门、赵州桥的拱形桥洞、砖窑的拱形门……你见到过哪些拱的应用实例?
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