1-2典型结构受力分析——结构是怎样受力的

第二节－－结构是怎样受力的学习目标：1.能够对简单结构的受力情况进行分析。2.理解不同受力形式所引的结构变化。1、结构的定义、构件、力学本质2、结构的作用3、常用的结构类型回顾掰手腕游戏：•游戏规则：•今天我们不比力量，比结构，比智谋。•掰手腕时，立在桌子上的手好比单杠中的主柱，现在大家想一下，如何让自己在比赛中胜出呢？•如何让自己的手处于不倒之地，即使自己是力量比较弱的一方？探究与交流：结构小试验•做一个互动性试验，先找一副院长扑克牌和几张比扑克牌略薄的纸，照图1.14所示分别将纸展平、弯曲并定型，曲折后放在两叠同高度书本上，请问：如果将扑克牌轻轻放到纸上面，哪种情况可以放最多的纸牌而纸不塌掉？可以边动手边分析。一、结构的受力分析•力是物体之间的相互作用。大小、方向、作用点是力的三要素力可分为内力和外力外力是；比如说有这么两个箱子,中间夹着一个弹簧,现在用双手挤箱子,使弹簧压缩.此时,以两个箱子和弹簧组成的系统中,内力就是弹簧对两个箱子的弹力,外力就是用双手挤压箱子的压力,此系统之外,那么就应该是外力~!物体的内力，一般是指物体内部各质点之间的相互作用力。在没有外力作用的情况下，其内部各质点之间均处于平衡状态，各质点之间保持一定的相对位置，从而使物体维持一定的几何形状。研究强度问题，还需要了解内力在材料截面上的聚集程度，所以在工程上我们把单位面积上的内力称为应力，应力的法定计量单位是帕斯卡（Pa），简称帕，1Pa=1N/㎡。但在工程上我们习惯用兆帕MPa作为应力计量单位，1MPa=10^6Pa应力计算公式：σ=P/AP为拉伸或压缩载荷，单位为N，A为拉伸或压缩所作用的截面面积，单位为m㎡；σ为拉伸可压缩应力，单位为MPa拉伸和压缩是由外力引起的，外力在力学中又叫做载荷，它可以分为两类•（1.）分散荷载:连续作用在构件表面的较大面积上，不能看成集中荷载，且任意两个荷载的大小方向均相同的荷载称为均布荷载。例如墙的自重。其单位为千牛顿每米•（2）集中荷载:反正作用在一个点上的荷载叫集中荷载，比如构造柱布置在梁上那么这一点的荷载就叫做集中荷载。在工程上结构设计总是希望载荷能在受力对象内均匀分布，尽量避免载荷集中。拉力：物体所承受的拉拽力。拔河！拉拉面、拉油条、拉拉力器五种基本的受力方式压力：挤压物体的力。趁热打铁！压订书机、桥墩受到压力、压路机压路剪切力：两个距离很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物体上的平行的力。修理草坪！剪刀剪纸、钢丝钳钳钢丝弯曲力：作用于物体，使它产生弯曲的力钓鱼！使用弓、使用臂力器、撑杆跳高扭转力：反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。拧干衣服！拧瓶盖拧麻花条拉力作用于物体,使它产生弯曲的力压力两个距离很近,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力剪切力挤压物体的力扭转力物体所承受的拉拽力弯曲力反方向向物体两端均匀施力,使物体发生扭转形变的力马上行动:请连线1、单杠受力和变形分析•看一段视频杠体立柱拉杆•单杠为什么如此设计？（1）杠体的受力与变形•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•包括人体质量、回转运动产生的离心力杠体受到的力的方向•任意时刻，人对杠体的作用力，其方向，都是从杠体指向人重心所处的瞬间位置。•单摆实验小球对固定点的作用力，其方向，从固定点指向小球球心所处的瞬间位置。杠体受力弯曲变形、方向•运动员对杠体施加了外力•使得杠体发生弯曲变形•这种外力称为弯曲力•杠体弯曲变形的方向•与杠体受外力的方向一致•杠体总是朝人体所在的瞬间位置的方向发生弯曲。（2）立柱的受力与变形分析•单杠的立柱，是总荷载的主支撑点。•总荷载：杠体传到立柱上端的外力（杠体和人体）•认识到：结构中的某构件可能是其他构件的荷载•当人体静挂或静骑在杠体上时压力•当人体回转到单杠的一侧（如单杠的前面）时弯矩作用压力•认识到：同一荷载在静态、动态下，结构承受的外力往往不同.•问题：杠体和立柱的上端相连，人的作用力通过杠体作用于立柱，立柱产生弯曲变形趋势,如果要向前发生弯曲，请问同学们，有什么方法可以削弱或抵消这种弯曲呢？•立柱埋深一点•用一个力从反方向拉（3）拉杆的作用•拉杆：辅助立柱抵抗弯曲变形趋势•当人体静挂在杠体上时，两根立柱只承受压力。•当人体回转到单杠的一侧时，经过杠体传到立柱上端的外力将对立柱产生弯矩，使立柱产生弯曲变形趋势。固定于地基的垂直梁产生抵抗柱端的弯曲变形。同时拉杆将起到辅助立柱抵抗变形作用。单杠的受力与变形离心力弯曲力2、棚室屋架结构受力分析•图中有什么？6后墙7通道5立柱1草帘3后屋面2塑料棚膜4拱架（梁）9防渗膜固定槽10防渗膜8防寒沟11混凝土墙（1）构件——梁(拱架)的受力对于梁（拱架）来说：•恒载：塑料棚膜、后屋面、梁（拱架）的自重•活载：雪载、风载等•荷载作用传到梁上，梁受力变形趋势如图。•棚室屋面支撑拱架的两个支撑点梁的受力什么办法可以防止梁过分弯曲？1、加支撑2、在上面施加拉力3、减少梁的长度4、增加厚度5、更换材料如：梁必须是混泥土底部含有加固钢筋，混泥土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，他们共同形成了非常牢固的结构屋顶雨搭混凝土和石材，较能抵抗压力，却无法抗拉力，为避免产生裂变，一般在混凝土梁上加钢筋。以下两种结构（屋顶、雨搭）要在哪一面加钢筋？受拉力一侧加上钢筋（2）构件——墙的受力对于墙（和立柱）来说：•恒载：梁（拱架）的质量、屋面（草帘、塑料棚膜）•活载：雪载、风载等•荷载压力——由恒载和雪载生成。•墙受压力时的情形。•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。压力推力•认识到：不同形式的荷载，同一结构承受的外力也不同观察右下图,说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来。•用一张纸做桥梁,河面的宽度为15CM，如何只用一张纸让你设计的桥梁能承受最大的重量？1、哪种情况下纸板的抗压能力最强？2、还有更好的方案吗？小试验实践与体验：四种金属丝的抗拉强度•做如图1.17所示的实验，取相同长度，截面积都是1平方毫米的铅、铝、铜、铁四种金属丝，用重力将它们拉断，请计算并比较四种金属丝的抗拉强度，再分别称下四种金属丝的质量，计算一下拉断单位质量所需的应力。二、结构弯曲的受力分析一座限重1.5吨的简单梁式桥，如果要使它的承重增加，该如何改进。•拱结构：即中间高四周低呈弧形的曲面。•试验：纸桥•荷载压力作用于拱上，圆拱再把力传到其四周的支撑上。•拱的受力面积大，例如雪荷载•拱结构对承受荷载有利（3）构件——拱的受力拱(P20——阅读材料)•(1)形状特点：曲线形结构•(2)受力特点：在竖向荷载作用下，水平方向约束力是推力。推力对拱上任意点力矩与支持力对该点力矩转向相反，故其任意截面弯矩小于相当的梁在相同截面弯矩。•(3)优点：比梁经济。因弯矩小，应力就小，强度高，等强度时，可以用较少的材料。•(4)用途：较大跨度。如天安门门楼的拱门、拱形桥洞等。•(5)型式：三铰拱、两铰拱、无铰拱赵州桥•认识到：拱结构既有利于承载，又美观•在较大的跨度情况下，建筑物多采用拱结构。探究与交流：哪一种梁的承重能力强？•这里有一个满有意思的题目：我们取两根大小完全相同的矩形梁，一根平放、一根竖放，请你判断一下，哪一种放法梁承受的重量大？三、抵抗张力结构的受力分析•在第一节中提及的桁架结构、薄壳结构、捆扎结构会受到张力（拉力）作用，与压缩力相比，张力对结构的破坏作用相对大一些，因此在结构设计时要尽量避免集中载荷的发生，并要想办法分散受力，让结构的生部分都合理受力。•（一）球罐的受力•压力容器广泛应用于石油、化工生产中，如各种储罐、反应塔等。从压力容器的结构上看，它的体积大，壁薄，而直径较壁厚大几十倍甚至上百倍。压力容器绝大部分为圆柱形或球形，其中圆柱形压力容器的制造比球形容器简单。由于球体的几何形状呈高度对称性，各球瓣焊接的焊缝所受到的应力大小基本一致，所以在压力容器的壁上不会产生集中的张力，球体形状容器的扩张力强度高，圆柱形或其他几何形状容器的扩张强度就不如球形容器。（二）圆拱的受力•在建筑结构设计中，有一种奇妙的圆拱屋顶结构，这一构思最早受到大家熟知的鸡蛋壳的启发。沿着鸡蛋壳长轴线方向用两手掌挤压，试一试能否将它压破。即使能够压破它，那么和弄碎小块鸡蛋壳相比也必须付出较大的力气。至今，圆屋顶结构的计算原理已经研究得很详细了。已经有这样的圆屋顶结构，它的薄壳厚度对直径的比值仅为鸡蛋壳相比的几分之一。•从现代建筑技术的观点来看，圆拱或圆屋顶结构的主要缺点是曲线形的。对于下层住户来说，有一个圆顶棚结构并不会感到不方便，但是对上层的住户是否方便呢？当然可以把圆顶棚搞平，往往是铺上一层平板，这不仅浪费了材料，也使圆屋顶结构的优点消失了。圆拱和圆屋顶的另一个缺点是抗集中载荷的性能差。如何解决这个问题呢？•办法是将圆拱的两段弧拉直，这时垂直的力就可以压缩桁架斜臂。这种形状的桁架不仅有利于结构的强度增加，而且可以节约建筑材料。•是不是可以把斜臂厚度减小，节省一半材料呢？如果简单地减小斜臂厚度，就会发生纵向弯曲的危险。为了节省材料而又避免发生这种现象，可以把斜臂上节省下来的材料应用每个斜臂中间与桁架横拉杆中间的连接上。小结•典型结构案例分析：（1）单杠受力和变形分析（2）棚室屋架受力与变形分析（3）拱结构的应用分析结构受力的方法：结构构件总荷载恒载、活载