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(共123張PPT)
第二節(jié)、
穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析　
任務一
探析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
日常生活中，時常會看到翻倒在地的物體，如路邊倒地的自行車、地上翻倒的空竹簍等。這是因為當物體受到荷載作用（受到外力）時，原有的平衡狀態(tài)被打破而出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
臺風過后的災害打破原有的平衡狀態(tài)出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象
04年5月23日，巴黎戴高樂機場2Ｅ候機廳頂棚發(fā)生坍塌事故，事故原因：金屬構(gòu)件本來也負擔著頂棚的重量，但弧度結(jié)構(gòu)上的裂痕使這個構(gòu)件逐漸穿過了頂棚，不再支撐數(shù)十噸重的頂棚，最終導致拱形頂棚發(fā)生坍塌。
汶川大地震中災難性的畫面
為什么北川希望小學在地震中屹立不倒？
日本的五重佛塔
建立于1300年前，它曾經(jīng)遭遇過很多次地震和強風的襲擊
，但依然保持1300年前的風貌。是世界上最古老的木建筑群
。
一、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在荷載的作用下維持其原有平衡狀態(tài)的能力。
如果一個物體的結(jié)構(gòu)不能有效地抵御荷載的作用，那么該物體就很難保持原有平衡狀態(tài)。
第2題：在懸臂保持穩(wěn)定的情況下，離支撐面邊界越遠，所能懸掛重物的質(zhì)量越小。
二
、影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有多種，主要有：
1、重心位置的高低
2、結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面的大小
3、結(jié)構(gòu)的形狀等
從懸臂結(jié)構(gòu)的技術(shù)體驗活動中我們可以看出，結(jié)構(gòu)重心的位置影響著結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
在工程領(lǐng)域中，有的起重機的質(zhì)量達幾百噸，且重心很低，所以在較大的荷載作用下也能保持穩(wěn)定。
常生活中，有的獨腳茶幾的底座采用較重的材料（如大理石），臺面采用比底座輕的材料（如木材），使茶幾的重心降低，以提高穩(wěn)定性。
探究試驗一：鐵塊和泡沫的組合體：
鐵塊
泡沫
泡沫
鐵塊
．
．
重心
不倒翁為什么不倒?
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素一：
注：重心越低，穩(wěn)定性越好
重心越高，穩(wěn)定性越差
重心位置的高低
哪個更危險？
想一想：怎樣讓遮陽傘更穩(wěn)定?
降低重心
比薩斜塔為什么會斜而不倒？
它從1174年始建1350年竣工，經(jīng)歷了176年。但由于塔身過重，地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年1．25毫米的速度向南傾斜。到1999年1月，塔頂比中軸線偏斜已達4．8米。
小資料：中國的斜塔
遼寧瑞州古塔，現(xiàn)存塔身高10米，塔身向東北方向傾斜12度，塔尖水平位移1.7米。該塔建成之后雖幾經(jīng)地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。
探究性試驗二：
活動方形架
結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面實際上都與重心垂足的位置相關(guān)。對于一個處于靜止狀態(tài)的結(jié)構(gòu)而言，如果重心的垂足落在結(jié)構(gòu)的支撐面內(nèi)，就是穩(wěn)定的，不會傾倒。
為什么不會翻到？
為什么不會翻到？
仔細觀察它們有何特點?
但是有些產(chǎn)品在使用過程中，重心很高，這些產(chǎn)品是怎樣保持穩(wěn)定的呢？
人在使用梯子時，重心升高還能保持穩(wěn)定的主要原因是梯子的支撐面較大，人和梯子重心的垂線不會超出支撐面。橫梁的作用是構(gòu)造三角形，使梯子展開后的角度固定，從而保持穩(wěn)定。橫梁放置位置不同，梯子張開的角度就不同，從而影響支撐面的大小，影響穩(wěn)定性。圖丙和圖丁所采用的結(jié)構(gòu)都是使梯子保持穩(wěn)定，圖丙是通過鎖定連接節(jié)點不再轉(zhuǎn)動，使梯子的幾何結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，圖丁是通過擴大支撐面，使梯子使用時更穩(wěn)定。
底座大小（結(jié)構(gòu)與地面所形成的支撐面的大小）影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
支撐面越大，穩(wěn)定性越好
支撐面越小，穩(wěn)定性越差
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素二：
衛(wèi)星電視接收天線
支撐桿有螺絲固定在大框架上
五重佛塔的結(jié)構(gòu)簡圖
想一想：
為什么大壩的橫截面總是建成梯形的？
木雕圓桌、圓凳
支撐面積大
擺放穩(wěn)定
為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？
想一想：
攝影棚的攝象機、射燈均為三角架支撐
想一想：怎樣讓遮陽傘更穩(wěn)定?
增大支撐面
結(jié)構(gòu)的支撐面
結(jié)構(gòu)的接觸面：
提示：注意接觸面與支撐面的區(qū)分。
探究性試驗三：
不同結(jié)構(gòu)形狀的框架。
一個用4根小木條釘成的相框，牢固嗎？有什么方法可以使它變牢固？
探究
三角形是框架結(jié)構(gòu)最基本的形狀之一，結(jié)實、穩(wěn)定、材料最少。在四邊形、六邊形構(gòu)件中，加上三角形支撐件，就可大大增加構(gòu)件的牢固、穩(wěn)定程度。
桁héng架結(jié)構(gòu)
空調(diào)安裝架
空調(diào)
觀察學校的籃球架，你覺得它采用了什么樣的結(jié)構(gòu)形狀？
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的形狀影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
三角形結(jié)構(gòu)使支架更容易穩(wěn)定
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素三：
三角形是框架結(jié)構(gòu)中最基本的形狀之一,它結(jié)實、穩(wěn)定，所用材料最少。
A字形梯為什么載人時能夠保持穩(wěn)定？
如果沒有梯子中間的拉桿將會怎么樣？
回過一下：
單腳支撐的自行車放穩(wěn)的原因分析
自行車的重心落在前后輪與支撐架構(gòu)成的支撐面內(nèi)，它是穩(wěn)定的。
回過一下：
殘疾人專用電動車結(jié)構(gòu)有什么特點
小孩子的自行車結(jié)構(gòu)有什么特點
一種人力驅(qū)動的冰上自行車，有車架、踏板曲柄、鏈輪、前轉(zhuǎn)向軸及后軸。其特點是∶在前轉(zhuǎn)向軸的一端處裝有一只前冰刀，在后軸的兩端對稱地剛性聯(lián)接兩個傾斜的盤狀冰刀，從而形成一種三點支撐的可在冰面上前進、倒退、前后滑行及剎車的冰上自行車。
雞蛋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定嗎？有什么方法能使雞蛋豎起來？
石油氣罐
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素是相互關(guān)聯(lián)的，需要綜合考慮各種因素來討論結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
物體在靜止狀態(tài)與運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性條件也是不同的。
探究性試驗四：倒立和正立的兩瓶礦泉水
不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應用：
１.倒置的啤酒瓶可以預報地震。
２.在打水的桶口邊掛一重物，在水面時能自動翻倒打水。
張衡地動儀
拓展：不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應用
什么原因建筑結(jié)構(gòu)被破壞？
普洱地震
唐山地震
汶川地震
為什么會發(fā)生這些現(xiàn)象
任務二
探析結(jié)構(gòu)強度
生活中有時會出現(xiàn)這樣的情況：人坐到塑料凳上，凳腳被壓斷了；下大雪時，房梁被壓斷了。這些事例說明，這些結(jié)構(gòu)不具有抵抗上述荷載的能力。
結(jié)構(gòu)抵抗荷載的能力用強度來表示。
結(jié)構(gòu)的強度是指結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。
海嘯
大堤壩
一、結(jié)構(gòu)的強度
普洱地震
唐山地震
拔河
繩子的強度
當結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到外力作用時，內(nèi)部各質(zhì)點之間的相互作用發(fā)生改變，產(chǎn)生一種抵抗外力與形變的力，稱為內(nèi)力。
如下關(guān)系式表示：
σ
=
FN/A。
應力可以作為表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度的基本指標。
構(gòu)件單位橫截面積上所產(chǎn)生的內(nèi)力就是應力。
FN為內(nèi)力
A為受力面積
σ為應力
彎曲
當外力使一個物體的一端發(fā)生偏轉(zhuǎn)而另外一邊仍然保持不變。
在發(fā)生彎曲的點，在頂上的分子正在被分開，在底部的分子則正在被壓縮。如果這些力超過分子結(jié)合一起的力,
橫梁就會斷裂。
當外力像下面這些圖片顯示的方式作用在物體上的時候，就會出現(xiàn)應力：
木條彎曲時，下表面被拉伸，上表面被壓縮；被拉伸的面先斷。
思考：木條彎曲時，上下表面發(fā)生了什么變形？彎曲變形過大時，哪個表面先斷？
第3題：材料和連接方式對承重能力有影響，強度高的材料制作的結(jié)構(gòu)強度相對更好；連接節(jié)點牢固可靠，有利于結(jié)構(gòu)的整體承重性能的提升。
第1題：三角形結(jié)構(gòu)的承重能力要強
想一想
分析不同壘法的墻，當施加同樣的外力時，哪種壘法的墻不容易推倒？穩(wěn)定性最強，結(jié)構(gòu)的強度最強？
二、影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素
結(jié)構(gòu)的強度與結(jié)構(gòu)的形狀、使用的材料、構(gòu)件之間的連接方式等因素有密切的關(guān)系。
交綽[chuò]搭建增加結(jié)構(gòu)強度
1、結(jié)構(gòu)的形狀、
2、結(jié)構(gòu)的材料、
3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式
影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素
1、結(jié)構(gòu)的形狀
相同材料，相同截面積，不同截面形狀的構(gòu)件強度不同。
結(jié)構(gòu)的形狀
空調(diào)架
金剛石及其結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)的形狀
各種形狀的橫截面構(gòu)件，所承受力的程度是不一樣的。
三角形是框架結(jié)構(gòu)最基本的形狀之一，結(jié)實、穩(wěn)定、材料最少。在四邊形、六邊形構(gòu)件中，加上三角形支撐件，就可大大增加構(gòu)件的牢固程度。
抗拉性較強
抗壓性較弱
紙張的特性
紙結(jié)構(gòu)的基本形狀：
紙結(jié)構(gòu)的其他形狀：
……
紙結(jié)構(gòu)的組合：
承重性測試
紙箱結(jié)構(gòu)形狀
該站立式辦公桌腳架采用鋁合金材料一體成型，且內(nèi)部設(shè)計成網(wǎng)格，其主要目的是在不明顯增加材料用量的情況下，大大增加了強度。一般的塑料桌、塑料構(gòu)件通常采用類似的結(jié)構(gòu)。
問題：
下圖是兩位同學制作的筷子支架結(jié)構(gòu)。為什么右邊這個只能支撐一個5千克的鉛球，而左邊這個卻能支撐兩個共8千克的鉛球？請分析原因。
分析：因為結(jié)構(gòu)的強度與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)。左邊的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有三角形支撐結(jié)構(gòu)，所以它的強度更強，能支撐2個鉛球。而右邊結(jié)構(gòu)的內(nèi)部沒有三角形支撐結(jié)構(gòu)，所以它只能支撐1個鉛球。左邊的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因為它的支撐面積比右邊的大。
礦泉水瓶的形狀
如圖所示，某村莊旁邊的小河上原有一座限重1.5噸的簡易梁式橋。橋下的河水較淺，不能通航。現(xiàn)在由于經(jīng)濟的發(fā)展．運輸量有了極大的增加．必須使橋梁的承重能力加以提高。但是又不能把橋拆掉后重新再建．因為這是該村唯一的公路橋。那么我們應該如何進行改進，設(shè)計出符合要求的橋梁結(jié)構(gòu)呢?請同學們設(shè)計出3種以上的改良方案。
你能幫幫我嗎？
選擇合適的材料制作斜拉索，并在橋兩側(cè)安裝足夠強度的立柱。
由于小河不能通航，所以可以增加一個或幾個橋墩來加大承重。
在橋面下增加拱形結(jié)構(gòu)，在不影響橋面通行的情況下，可以增加橋梁的承重。
在橋的兩側(cè)增加鋼制的三角形桁架結(jié)構(gòu)。
2、結(jié)構(gòu)的材料
不同材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其強度各不相同。一個堅固的梁必須具有好的抗拉、抗壓、抗剪切和抗扭曲的性能，所以梁通常由不止一種材料制成。
使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的好處是什么？
如一根混凝土梁含有鋼筋，混凝土擅長抗壓力，而鋼筋擅長抗拉力，它們共同形成了非常牢固的結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)的強度與材料有關(guān)
VS
紙杯
鋼杯
結(jié)構(gòu)的材料
不同的材料可能帶來結(jié)構(gòu)上的變化。
采用塑料為材料，可以制造成一次性壓模成型的結(jié)構(gòu)。
以椅子為例
采用木頭為材料，可以設(shè)計成框架結(jié)構(gòu)；
采用不銹鋼為材料，可以制造成框架結(jié)構(gòu)；
由于材料與結(jié)構(gòu)強度具有密切的關(guān)系，因此在設(shè)計過程中應注意挖掘材料特性所帶來的新結(jié)構(gòu)的可能。
無人機的制作材質(zhì)是隨著材料技術(shù)的發(fā)展而不斷變化的，采用密度小而強度高的輕質(zhì)材質(zhì)是比較理想的選擇，使無人機自重更輕，更加節(jié)能，且強度更好，而碳纖維復合材料具有這一特點，因而被廣泛用于無人機上。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接通常有以下兩類：
鉸連接
剛連接
3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式
1）鉸連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對移動，但可相對轉(zhuǎn)動。
2）剛連接：被連接的構(gòu)件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉(zhuǎn)動。
榫接
膠接
焊接
構(gòu)件連接方式
同一結(jié)構(gòu)有哪幾種連接方式？當橫梁受到向下的荷載作用時，請分析哪種連接方式的強度更好。
（1）
（2）
（4）
下圖結(jié)構(gòu)屬哪種連接方式？
連接方式對結(jié)構(gòu)強度的影響還體現(xiàn)在連接件的選擇上。以鉚接為例，鋁制空心鉚釘主要用于受載荷不大的鉚接場合，而不銹鋼鉚釘則用在高拉力、耐腐蝕的場合。
升降調(diào)節(jié)方法：朝桌面方向按下手柄即可升降桌面，升降桌面需在桌面上施加向上提或向下壓的力，松開手柄即可固定高度。支撐桿和桌面支撐桿及底部支撐腳之間均采用鉸連接，可轉(zhuǎn)動，構(gòu)造了可形變的四邊形結(jié)構(gòu)，因而可調(diào)節(jié)高度。通過鋼絲傳遞制動力，制動裝置固定氣撐桿與支撐桿之間的連接節(jié)點，從而固定調(diào)節(jié)后的高度。支撐桿和支撐框架之間采用鉸連接是實現(xiàn)折疊功能的前提條件。
這樣做有可能導致成本、體積、自重大大增加，最終還可能影響結(jié)構(gòu)的功能。
香爐內(nèi)部由幾個軸心線互相垂直的金屬環(huán)構(gòu)成，最里面的金屬環(huán)的軸上裝著半圓形容器，內(nèi)盛香料。由于互相垂直的各環(huán)轉(zhuǎn)軸彼此制約及半圓形容器自身重心的影響，使香料不會傾倒。
第一款電風扇的底座較重，且有一定的底面積，該電風扇是通過降低重心和設(shè)計一定大小的支撐面來保持穩(wěn)定的；
第二款電風扇主要是靠較大的支撐面來保持穩(wěn)定的；
第三款也主要是通過較大的支撐面來保持穩(wěn)定的。
市場上銷售的家具一般是板式結(jié)構(gòu)，且可拆裝的。如櫥柜的構(gòu)造板之間通常采用預埋的連接件或預制的連接孔位，用偏心連接件等金屬構(gòu)件連接，櫥柜門和框體之間通常采用鉸鏈連接。

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