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第二節(jié)典型結(jié)構(gòu)分析
教材p10-p19
問題思考
衣帽架懸掛衣帽需要承受一定的力，不同結(jié)構(gòu)類型的衣帽架承受的力可能有所不同。你認(rèn)為衣帽架主要承受哪些力
不同的結(jié)構(gòu)，能承受不同的力，抵抗不同的變形。結(jié)構(gòu)如何承受力 如何抵抗變形
一、單杠結(jié)構(gòu)分析
(一）單杠的結(jié)構(gòu)
單杠是常見的休育器械，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,如圖1-16所示。單杠的構(gòu)件有杠體、立柱和拉桿。杠體是器械的主體,立柱和拉桿共同支撐杠體并承受荷載。單杠為什么要采用這樣的結(jié)構(gòu)呢 這需要做受力與變形分析。
問題思考
構(gòu)件可由不同材料構(gòu)成。圖1-16所示的單杠，其構(gòu)件各有什么特點(diǎn) 它們?yōu)槭裁匆@樣搭配和組合
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拉伸、壓縮與彎曲
構(gòu)件受到外力F作用時(shí)，會(huì)發(fā)生形狀或大小的改變，這種改變常稱為變形。變形有的明顯，有的不明顯。
前面的實(shí)例中，吊車的吊繩承受的外力是拉力，拉力所產(chǎn)生的變形為拉伸;板凳腿承受的外力是壓力，壓力所產(chǎn)生的變形為壓縮。拉伸和壓縮都是荷載作用的結(jié)果。
當(dāng)桿件受到與桿軸線相垂直的外力作用時(shí)，桿件產(chǎn)生的變形為彎曲。發(fā)生彎曲變形的桿件,稱作梁。
當(dāng)板凳很長(zhǎng)時(shí),凳面可視為梁。此時(shí)凳面在人的體重(或重物)等外力作用下,會(huì)發(fā)生彎曲變形，只是這種變形可能很小，肉眼不易看出來。而跳水的跳板發(fā)生的彎曲變形卻是非常明顯的。彎曲變形如圖1-17和圖1-18所示。
問題思考
長(zhǎng)條板凳的凳面和跳板，同視為梁。然而,在使用中,不讓前者發(fā)生明顯變形，卻讓后者發(fā)生明顯變形。這是基于什么考慮而設(shè)計(jì)的
(二）杠體的受力與變形
當(dāng)桿件受到垂直于桿件軸線的外力(通常稱為橫向力)作用時(shí),桿件將發(fā)生彎曲變形。彎曲變形的特點(diǎn)是桿件軸線由直線變成曲線，變形桿件繞桿件原軸線做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
單杠的杠體作為一種結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，其工作狀態(tài)不完全與跳板相同。單杠可視為一種具有雙支撐點(diǎn)的梁，而跳板是只有單支撐點(diǎn)的梁(懸臂梁)。兩者的支撐情況有別,受力與變形情況也就不一樣。
運(yùn)動(dòng)員在杠體上做各種動(dòng)作，如大回環(huán)等，通過握杠體的手，對(duì)杠體施加了外力，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，使得杠體發(fā)生彎曲變形。值得注意的是,杠體彎曲變形的方向,是隨人體回轉(zhuǎn)所到的空間位置變化而變化的，即杠體總是朝著人體所在的瞬間位置的方向發(fā)生彎曲。
(三）立柱、拉桿的受力與變形
單杠的立柱,是總荷載(杠體和人體）的主支撐單元。當(dāng)人體靜掛或靜騎在杠體上時(shí)，兩根立柱只承受壓力。
如圖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發(fā)生位移,在4根張緊的拉桿作用下,使單杠整體保持著穩(wěn)定性。當(dāng)人體位于單杠前側(cè)時(shí),后側(cè)拉桿張力增加以平衡運(yùn)動(dòng)員通過杠體傳遞到立柱的水平向右的分力;反之，當(dāng)人體位于單杠后側(cè)時(shí),前側(cè)拉桿張力增加以平衡運(yùn)動(dòng)員通過杠體傳遞到立柱的水平向左的分力。因此兩根立柱以承受壓力為主，主要變形為壓縮變形;而拉桿始終處于張緊狀態(tài),主要變形為拉伸變形。
二、棚室屋架結(jié)構(gòu)分析
日光溫室和塑料棚，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用,利用溫室育花也屢見不鮮。因此，需要因地制宜地設(shè)計(jì)和建造日光溫室和塑料棚的結(jié)構(gòu)型式。
棚室屋架結(jié)構(gòu)是怎樣受力的呢
(一）棚室荷載與立柱受力棚室屋面下邊的梁、立柱和墻,共同承受著屋頂部的荷載。這里的荷載有靜載與動(dòng)載之分。
對(duì)于立柱和墻來說,靜載包括屋面、梁(有時(shí)還有凜)的重量，屬于不隨時(shí)間變化的永久性荷載;動(dòng)載包括雪載、風(fēng)載等，屬于隨天氣情況變化的可變性荷載。
荷載給立柱和墻主要施加壓力。這里的壓力,由永久性荷載和雪載生成。圖1-20表示了立柱受壓力時(shí)的情形。圖中，F(xiàn)1為荷載施加于立柱的壓力,F1'為立柱基礎(chǔ)作用于立柱的反作用力。
荷載中的風(fēng)載,作用于棚室的情況比較復(fù)雜,它與風(fēng)的作用方向有關(guān)。將風(fēng)載生成的作用力，按沿著立柱軸線和垂直軸線的兩個(gè)方向分解后，立柱受力的情形如圖1-21所示。圖中， F1為沿立柱軸線方向的作用力(壓力), F2為垂直立柱軸線方向的作用力。圖中M'、 F1 '、 F2'為立柱基礎(chǔ)作用于立柱的彎矩與反作用力。
如前所述,壓力要引起壓縮變形，彎矩要引起彎曲變形。通過棚室結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),立柱將會(huì)抵抗住壓縮與彎曲兩類變形。
(二）梁的受力荷載作用傳到梁上,梁受力變形,如圖1-22所示。
圖中,在荷載作用下,梁的上部軸向受壓，下部軸向受拉。在上部和下部之間必有一層既不受拉也不受壓，稱為中性層。
對(duì)棚室屋面的支撐梁來說,它受的力被傳遞到其支撐點(diǎn)(如立柱或墻)上，通過合理設(shè)計(jì)，可以使梁不產(chǎn)生明顯彎曲。
防止梁過分彎曲的最簡(jiǎn)單方法,是在梁的下面增加支撐點(diǎn)。這樣,梁傳遞下來的力就被分?jǐn)偭恕?br/>(三）拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
棚室一般多采用拱結(jié)構(gòu)。拱結(jié)構(gòu)，即中間高四周低，呈弧形曲面的一種結(jié)構(gòu)。拱結(jié)構(gòu)對(duì)承受荷載有利。荷載壓力作用于拱上，拱把力傳到其四周的支撐上。如雪載，它是作用在屋面上的垂直荷載。屋面上積雪的程度不僅與降雪量有關(guān),而且與屋面形狀和坡度有關(guān)。屋面拱度愈大，積雪愈淺，雪壓愈小。
多注意觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn):在較大的跨度情況下，建筑物多采用拱結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)既有利于承載,又美觀。
三、鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)分析
生活中存在各種梁的應(yīng)用實(shí)例，特別是在橋梁工程和建筑工程中，普遍采用梁理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。鋼箱梁，又叫鋼板箱形梁,是橋梁工程中梁的一種,內(nèi)部為空心狀，由頂板、底板、腹板和加勁肋等構(gòu)件組成,外形像一個(gè)箱子,是大跨徑橋梁常用的結(jié)構(gòu)型式,具有質(zhì)量小節(jié)省鋼材、抗彎和抗扭剛度大、安裝迅速、外形簡(jiǎn)潔美觀等特點(diǎn)。
鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)是怎樣受力的呢
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港珠澳大橋的主梁結(jié)構(gòu)
港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、廣東珠海、澳門的超級(jí)跨海通道。
其中，青州航道橋的設(shè)計(jì)是港珠澳大橋最具特色的部分，它為雙塔空間雙索面鋼箱梁斜拉橋，主梁采用扁平流線型整體式鋼箱梁，索塔采用橫向H形框架結(jié)構(gòu)，163 m的塔上端采用具有傳統(tǒng)民族文化元素的“中國(guó)結(jié)”造型鋼結(jié)構(gòu),寓意團(tuán)圓回歸、三地同心，如圖1-23所示。
(一）荷載類型
港珠澳大橋青州航道橋的首要功能是承載它所輸運(yùn)的交通荷載，支撐其自身的重量及其上的附屬設(shè)施（如路燈、管線等)，還必須能抵御風(fēng)、雨、溫度變化及地震的作用。大橋的荷載包括豎向荷載和橫向荷載,如圖1-24所示。
( 1）豎向作用，q代表分布荷載（如橋體的自重)，o代表集中荷載（如交通荷載)。
(2)橫向作用,q,代表分布荷載（如風(fēng)荷載),2,代表集中荷載(如地震作用的效果)
(3）縱向水平作用o,，如地震作用或交通流制動(dòng)或加速導(dǎo)致的效果。
橋梁通過結(jié)構(gòu)型式承擔(dān)和傳遞水平與豎向荷載，橋梁結(jié)構(gòu)不是二維平面結(jié)構(gòu)，而是三維的空間結(jié)構(gòu)，因此在荷載的作用下它表現(xiàn)出三維效應(yīng)。在橋梁的設(shè)計(jì)過程中，工程師通常將三維結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)平面系統(tǒng)，這樣的簡(jiǎn)化對(duì)于許多橋梁結(jié)構(gòu)型式是合理的。
結(jié)構(gòu)必須能夠承受上述三類作用。
(二）縱向結(jié)構(gòu)型式
港珠澳大橋青州航道橋?yàn)殇撓淞盒崩瓨颍缇?10 m+236 m+458 m+236 m+110 m，橋梁縱向結(jié)構(gòu)（橋型布置）如圖1-25所示。橋面板通過纜索懸掛，而纜索以拉力的形式傳遞荷載，斜拉索將荷載傳遞給橋塔，為橋面板提供了彈性支撐，如圖1-26所示。
(三）橫向結(jié)構(gòu)型式
港珠澳大橋青州航道橋主梁采用扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu),橫截端面為帶鳳嘴扁平六邊流線型，如圖1-27所示，箱室內(nèi)不設(shè)中間腹板，頂板和底板采用U形縱肋加強(qiáng)，具有抗扭和抗彎慣矩大、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
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幾種常見結(jié)構(gòu)的受力情況
單杠和棚室屋架，其結(jié)構(gòu)所承受的外力主要有拉力、壓力及使單杠杠體發(fā)生彎曲變形的力。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)因其所負(fù)荷載形式的不同，相應(yīng)承受的外力還有很多其他的力。
例如，橋的荷載有人、車及載重物、冰雪、大風(fēng)等。因此，橋除承受拉力、壓力及使其發(fā)生彎曲變形的力之外，還承受因荷載分布不均勻、不對(duì)稱而產(chǎn)生的扭矩。
又如，梯子的橫梁，除了承受壓力及使其發(fā)生彎曲變形的力之外，在橫梁與支柱的兩個(gè)交接處還要承受剪切力。大壩與此類似，除承受河水作用的壓力外，由于水深的變化還要承受剪切力。
技術(shù)探究
查閱相關(guān)資料,收集幾種結(jié)構(gòu)承受不同外力的例子。
開眼界
梁、拱受力的簡(jiǎn)單圖示
1．梁的受力與變形
為了區(qū)別拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,常以“+”表示拉應(yīng)力,以“一”表示壓應(yīng)力,如圖1-28和圖1-29所示。在第三節(jié)中，將闡釋應(yīng)力的重要概念。
梁受力后，一部分纖維受壓力而縮短，另一部分纖維受拉力而伸長(zhǎng)。兩部分之間有一層纖維既不縮短也不伸長(zhǎng)，這層長(zhǎng)度不變的纖維層稱為中性層（圖1-29)。
對(duì)于整個(gè)梁來說，彎矩最大的橫截面上的應(yīng)力也最大，這個(gè)截面稱為危險(xiǎn)截面(圖1-30)。
梁的變形與梁的長(zhǎng)度有關(guān)。在相同荷載作用下,梁越長(zhǎng),梁的變形越大(圖1-31)。
梁橫截面上的應(yīng)力與梁的變形還與其橫截面的幾何形狀有關(guān),因此,若要提高梁抵抗破壞的能力和抵抗變形的能力,盡量將材料加在梁的高度上(即遠(yuǎn)離中性層的位置),這樣會(huì)比加在寬度上更有效(圖1-32)。
另外,梁的強(qiáng)度也與梁的材料有關(guān)。如低碳鋼、鋁合金、銅等塑性材料抗拉能力與抗壓能力基本相同,適合做梁，但成本高、變形大。而混凝土、石材、鑄鐵等脆性材料，變形小，但往往抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力。土木工程中常用混凝土做梁，為避免受拉部分?jǐn)嗔眩谑芾粋?cè)加上鋼筋以承受拉力(圖1-33 )。
梁的變形和材料的彈性有關(guān)(圖1-34)。
荷載越靠近梁的中央，變形量越大(圖1-35 )。
2.梁的受力與平衡
梁在外力作用下保持靜止的狀態(tài)稱為平衡,其必須滿足如下條件:
上式稱為平衡條件或平衡方程，式中x、y、z為三維坐標(biāo)軸(圖1-36).
3.拱的受力
靜載,對(duì)于大棚來說，包括拱、梁、塑料膜及連接件共同構(gòu)成的恒定荷載(圖1-37、圖1-38、圖1-39)。
拱是一種曲線形的結(jié)構(gòu)。拱在豎向荷載作用下，端點(diǎn)受到水平方向的約束反力，常稱為推力。由于這種推力的存在，拱結(jié)構(gòu)任意截面內(nèi)的彎矩，將比相當(dāng)?shù)牧涸谙嗤孛鎯?nèi)的彎矩要小。拱結(jié)構(gòu)一般比梁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。因此,拱結(jié)構(gòu)可以跨越較大的跨度。拱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-40所示。
拱的結(jié)構(gòu)型式有三種:三較拱、兩較拱和無較拱，如圖1-41所示。
一般大棚采用的是兩餃拱。兩餃拱的優(yōu)點(diǎn)是由于兩端是餃支座，因此支撐反力作用點(diǎn)的位置確定，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。同時(shí)，支撐產(chǎn)生豎向沉陷時(shí)，兩餃拱也不受什么影響（支座有水平變位時(shí)將引起兩較拱的內(nèi)力)。常見拱多為圓弧拱和拋物線拱。
拱的應(yīng)用很多，如天安門城樓的拱門、延安窯洞的拱門、趙州橋的拱形橋洞、磚窯的拱形門……
你見到過哪些拱的應(yīng)用實(shí)例
創(chuàng)客坊
關(guān)于基本構(gòu)件、拱的探究
(1）常見結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)件主要有:桿、柱、索、板、梁、筋、殼、膜，以及由它們演變、組合的座、樁、臂、球等。這些構(gòu)件適用于哪些場(chǎng)合 有什么功能 承受荷載與抵抗變形的特點(diǎn)是什么
(2)拱適用于哪些場(chǎng)合 有什么功能 承受荷載與抵抗變形的特點(diǎn)是什么
帶著這些問題，你可以去圖書館或通過互聯(lián)網(wǎng)查找有關(guān)資料，并進(jìn)行實(shí)物觀察。

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