資源簡介

(共70張PPT)
結構及其設計
Structure&Design
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1、初識結構
什么是結構
“構”是物體的構成形式。比如：手臂是由上臂、下臂、手三個部分構成的。上臂的里面是肱骨，下臂中間是尺骨和橈骨兩根骨頭組成。手就復雜了，是由八塊腕骨、許多掌骨和指骨組成。它們之間由韌帶、筋腱和肌肉相連接，外邊又被皮層包裹，形成了內、中、外-一骨骼、肌肉、表皮三者的構成關系
01
“結”是幾種構成物是如何結合在一起并構成一個整體的。“結構”就是幾種構成的物體彼此結合在一起的統一體。它通過可視的外部形象反映出來。因此，我們所畫的一切物象，都是內外相結合，彼此相構成，具有可視性的“結構形”的統一體。
02
“結構”既包括結構關系，又包括所看到的形體變化。需要理解的部分不一定能看到，看到的部分還必須多方面的理解它，二者不可分。故解剖知識只能幫助我們去理解結構，不能代替結構所包含的一切內容
03
什么是結構？
結構是指物體的各組成部分之間的搭配和排列。
結構的各個組成部分稱為構件。
簡單的說，結構是為了承受力和抵抗變形，這便是結構的本質。
1、初識結構
1、初識結構
為什么要研究結構？
在自然界，相同的物質，不同的結構，表現出不同特性的現象處處可見。
A、 同樣是水， 有液態、 氣態、 固態；
B、 同樣的六個字“這個人表現好” “這個人好表現” ，但因排列不同， 就形成了一褒一貶；
結構決定著事物的性質， 也直接影響事物的功能。
1、初識結構
各種各樣的結構——自然界
各種各樣的結構——技術領域
1、初識結構
各種各樣的結構——技術領域
1、初識結構
1、初識結構
在社會領域, 也普遍存在著結構現象。 一篇文章的內容結構影響文章的表達與質量, 一家企業、 社區、公司的人員、 國家的結構關乎企業的運行與效率。
各種各樣的結構——社會領域
蒼耳子
據說瑞士發明家喬治喜歡帶著狗外出散步，有一次散步回家，發現自己褲腿上和狗身上都粘滿了一種草籽。草籽粘在狗毛上很牢，要花一定功夫才能把草籽拉下來。喬治感到很奇怪，他運用了敏銳的觀察力，用放大鏡仔細觀察這種草籽。終于發現，草籽的纖維與狗毛是交叉在一起的，他想，如果采用這兩種形狀的結構不就可以發明一個搭扣嗎？從此，人們的生活中多了一個好幫手——喬治發明的尼龍搭扣。今天，我們穿的鞋有的就是用尼龍搭扣扣上的，背的書包有的也是用尼龍搭扣扣上的。
尼龍搭扣
1、初識結構
據說魯班不小心被鋸齒狀的葉子劃傷了手，根據葉子的結構發明了鋸子。
1、初識結構
石墨、金剛石和石墨烯雖然都是由碳原子組成的，但是它們的性能卻大相徑庭，金剛石堅硬無比，而石墨卻質地柔軟，石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性。
石墨
金剛石
石墨烯
1、初識結構
思考：下面兩種磚頭堆法哪一種會壘的更高？并談談其緣由。
1、初識結構
思考：1、三張凳子由哪些構件組成？
2、它們的結構有什么區別？
3、它們的穩定性和牢固程度？
1、初識結構
a、b、c三張凳子的結構分別由凳面、凳腳、牚三個部分組成，結構中的這些組成部分我們稱為構件，而這些構件之間的不同搭配和排列就得到了a、b、c三種不同結構。
a凳兩腿之間多了兩個短牚，c凳在a凳的基礎上在兩短牚上多了一根長牚。
牢固程度：c ＞a ＞b 牚起到合理分散力的作用。
1、初識結構
組成結構的構件的基本受力形式
拉力
壓力
剪切力
彎曲力
扭轉力
1、初識結構
拉力：物體所承受的拉拽力。
壓力：擠壓物體的力。
剪切力：兩個距離很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物體上的平行的力
1、認識結構
彎曲力：作用于物體，使它產生彎曲的力
扭轉力：反方向向物體兩端均勻施力，使物體發生扭轉形變的力。
結構的分類
根據物體結構形態在受力時承受和傳遞力的方式差別：
實體結構
框架結構
殼形結構
結構
1、初識結構
實體結構
通常是指結構體本身是實心的結構。如墻壁、柱子、實心球等等。
1、初識結構
實體結構
錘子
砧板
1、初識結構
思考：實體結構的受力特點如何？
實體結構是利用自身來承受荷載，主要承受壓力。
框架結構
通常是指結構體本身由細長的構件組成，支撐空間卻不充滿空間。如窗戶、畫框、房子的架構等等。
1、初識結構
1、初識結構
框架結構的特點和受力如何？
框架結構通常由桿件組成（可以是實心的，也可以用管材）
自身質量較小，能承受各種載荷，依據功能和使用條件的不同，可以設置成不同框架的組合。
1、初識結構
殼形結構
殼形結構通常是指由曲面形板與邊緣構件（梁、拱或桁架）組成的空間結構。
如貝殼、頭盔、汽車飛機的外殼等等。
1、初識結構
殼形結構的受力特點如何？
殼形結構由于存在原始曲度，具有很好的空間傳力性能，特別是當頂部受到壓力時，它能將力均勻擴散。殼體結構是一種強度高、省材料的結構形式，廣泛應用于工程結構中。
1、初識結構
在生產和生活實際中，很多物體的結構是由兩種或兩種以上的基本結構類型組合而成的。
廣播電視塔，他的塔腿由石砌礅座組成，塔身由鋼鐵部件的框架組成，主體空間由球形殼體結構保障。
1、初識結構
2、典型結構分析
的起源可追溯到人類的祖先原始人在叢林中進行的各種攀登、爬越、擺動、擺蕩等練習。在當時那只是一種生活實用技能，后來隨著社會的進化就逐步成為一種鍛煉身體的手段。單杠運動好處多多，可以鍛煉腰背部肌肉：吊單杠是生活中比較常見的一種健身方法，能夠在一定程度上提高身體素質。如果平時經常吊單杠，有利于鍛煉腰背部的肌肉，從而提高機體的整體代謝能力。拉伸脊柱：吊單杠可以拉伸脊柱，有利于保持脊柱的穩定性，若長期堅持吊單杠，還可有效減輕椎間盤的壓力，降低發生腰椎間盤突出癥的幾率。減肥：適當吊單杠還可以消耗身體的脂肪，若長期堅持，同時配合健康的飲食，具有減肥的好處。
單杠運動
1、單杠結構分析
杠體
立
柱
拉桿
思考：1、單杠有哪些構件組成？
2、為什么如此設計？
2、典型結構分析
運動員在杠體上做各種動作，如大回環等，通過握杠體的手，對杠體施加了外力
包括人體質量、回轉運動產生的離心力
①杠體的受力與形變
2、典型結構分析
單擺實驗
球
球
球
球
F
球
小球對固定點的作用力，其方向，從固定點指向小球球心所處的瞬間位置。
2、典型結構分析
任意時刻，人對杠體的作用力，其方向，都是從杠體指向人重心所處的瞬間位置。
2、典型結構分析
杠體結構分析：
運動員對杠體施加了外力，使得杠體發生彎曲變形
這種外力稱為彎曲力
杠體彎曲變形的方向與杠體受外力的方向一致（杠體總是朝人體重心所在位置的方向發生彎曲）
2、典型結構分析
2、結構是怎樣受力的
單杠的立柱，是總荷載的主支撐點，杠體和立柱的上端相連，人的作用力通過杠體作用于立柱，立柱產生壓縮變形和彎曲變形的趨勢。
②立柱的受力與形變
立柱結構分析：
人的作用力通過杠體作用于立柱，立柱產生壓縮變形和彎曲變形的趨勢。
立柱受到的外力有壓力和彎曲力
立柱彎曲變形的方向與杠體受外力的方向一致，即立柱總是朝人體重心所在位置的方向發生彎曲。
2、典型結構分析
思考：杠體和立柱的上端相連，人的作用力通過杠體作用于立柱，立柱產生彎曲變形趨勢，如果要向后發生彎曲，請問同學們，有什么方法可以削弱或抵消這種彎曲呢？
2、典型結構分析
立柱埋深一點
使用強度更高的材料
用一個力從反方向拉
拉桿：輔助立柱抵抗彎曲變形趨勢
③拉桿的受力與變形
2、典型結構分析
當人體靜掛在杠體上時：
杠體受彎曲力，兩根立柱只承受壓力，拉桿不受力。
當人體回轉到單杠的一側時：
杠體受彎曲力，經過杠體傳到立柱上端的外力使立柱產生彎曲變形趨勢，受彎曲力。同時拉桿將起到輔助立柱抵抗變形作用，受拉力，主要變形為拉伸變形。
單杠的受力與變形總結：
2、典型結構分析
1、草簾
2、塑料棚膜
3、后屋面
4、拱架（梁）
5、立柱
6、后墻
2、棚室屋架結構受力分析
7、通道
8、防寒溝
9、防滲膜固定槽
10、防滲膜
11、混凝土墻
2、典型結構分析
①對于梁（拱架）來說：
恒載：塑料棚膜、后屋面、梁（拱架）的自重
活載：雪載、風載等
2、典型結構分析
梁的受力
1、梁的上半部分受什么力？
2、梁的下半部分受什么力？
3、什么辦法可以防止梁過分彎曲？
1、加支撐
2、在上面施加拉力
3、減少梁的長度
4、增加厚度
5、更換材料
2、典型結構分析
思考：
梁通常在混泥土底部增加加固鋼筋，
混泥土擅長抗壓力，
鋼筋擅長抗拉力，
他們共同形成了非常牢固的結構
2、典型結構分析
②對于墻（和立柱）來說：
恒載：梁（拱架）的質量、屋面（草簾、塑料棚膜）
活載：雪載、風載等
2、典型結構分析
拱結構：即中間高四周低呈弧形的曲面。
試驗：紙橋
荷載壓力作用于拱上，圓拱再把力傳到其四周的支撐上。
拱的受力面積大，例如雪荷載
拱結構對承受荷載有利
③構件——拱的受力
2、典型結構分析
用一張紙做橋梁,如何只用一張紙讓你設計的橋梁能承受最大的重量？
思考：1、哪種情況下紙板的抗壓能力最強？
2、典型結構分析
2、典型結構分析
2、典型結構分析
3、鋼箱梁又叫鋼板箱形梁，因外型像一個箱子故叫做鋼箱梁。常用于公路、鐵路、跨海大橋等跨度較大的橋梁上，因為它中空的結構，具有質量小、節省鋼材、抗彎和抗扭、安裝迅速、外形簡潔美觀等特點。
2、典型結構分析
3、結構的強度與穩定性
技術試驗的總要求：
(1）試驗前，要提前做好準備，包括：器材準備、試驗場地準備及參試人員分組準備等。
(2）試驗分組進行，組內人員分工明確。各組可以做同一項目，也可以做不同項目。
(3）認真做好交流、討論。
(4）認真寫好試驗報告（寫報告的要求見后面）。
(5）切實做好安全防范。
3、結構的強度與穩定性
試驗報告的內容與要求：
試驗報告是對技術試驗過程的書面陳述，是對技術試驗結果的總結和評價。做好試驗的本身是學習與研究，寫好報告則是進一步的學習與研究。
試驗報告的基本內容
試驗項目或題目；試驗的內容（可以是一項，也可以是多項）；試驗的步驟與記錄整理；試驗的討論與結論；試驗的參與人、試驗的時間、報告人。
試驗報告的基本要求
認真觀察、及時記錄（記錄包括試驗的條件、觀察到的現象、觀測到的數據）;重在寫好結論與討論。
注：結論要客觀，而討論要強調個性。對試驗的某一過程、某一現象、某一數據直到某一結果，要勇于發表自己的見解與認識，哪怕是與他人不相同的觀點。這是培養交流能力的重要方面。
3、結構的強度與穩定性
外力使構件發生變形的同時，構件內部分子之間隨之產生一種抵抗變形的抵抗力，稱為內力。
F
F
N
N
應力：作用在單位面積上的內力。
σ（sigma ）= 單位 N/mm2或 N/cm2
N
S
物體結構承受外力時抵抗破壞的能力，以強度來表示。通常用應力來衡量強度。
3、結構的強度與穩定性
思考：同樣粗的鐵棍要比木棍結實。請用技術語言來表達？
容許應力：物體、材料所容許承受的最大應力。
3、結構的強度與穩定性
影響結構強度的因素：
結構的強度，一般取決于它對張力和壓力兩方面的反應能力，具體表現為以下因素：
形狀 構成的形狀略有改變，強度就會改變
材料 不同的材料有承受不同應力極限的能力。形狀相同，材料不同，強度就不同。
材料的連接方式 不同的連接方式，受力傳遞方式和效果不一樣。
這些因素是相互關聯的，選擇結構和材料的時候需要綜合考慮。
3、結構的強度與穩定性
3、結構的強度與穩定性
穩定指的不是狀態絕對不變，而是指受擾后，允許狀態有所波動，但當擾動消失后，能重新返回到原平衡狀態，即為穩當；不能回到原有平衡狀態，為不穩定。
如果結構具有阻礙不平衡狀態的特性，則稱為穩定結構。
3、結構的強度與穩定性
比薩斜塔為什么不倒塌？
想一想：
3、結構的強度與穩定性
遼寧瑞州古塔，現存塔身高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地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。
小資料：中國的斜塔
3、結構的強度與穩定性
蘇州虎丘斜塔，塔高47米，八角七層，青磚造就，此塔建于五代后周顯德六年（959年），落成于北宋建隆二年（961年），已有一千多年歷史。這座江南最古老的大型磚塔在建造時地基就有局部沉降，以后歷次修葺，并沒有控制住塔身傾斜。1976年，該塔出現危險情況，塔墩裂開，墩磚壓碎，當時有關部門立即采取臨時排險措施。1981年，又進行了第二次加固修繕。使這座古塔控制了傾斜。經測定，塔身的傾斜度和沉降都處于穩定狀態，塔頂中心偏離塔底中心2．32米，塔身傾斜度為2．47度，被國外建筑學家稱為“中國的比薩斜塔”。
小資料：中國的斜塔
3、結構的強度與穩定性
哪個形狀更穩定？
3、結構的強度與穩定性
3、結構的強度與穩定性
3、結構的強度與穩定性
3、結構的強度與穩定性
練習：以如下方式放置的并注入不同數量的水，穩定性好的是哪個？最差的是哪個？
3、結構的強度與穩定性
總結：影響結構穩定性的因素有：
重心位置
支撐面積
幾何形狀。
穩定指的不是狀態絕對不變。
結構穩定的狀態有靜態、動態。
3、結構的強度與穩定性
思考：如何增加結構的穩定性？
2.增大結構的支撐面面積。
3.降低結構的整體重心位置。
4.減小長細比：長細比指的是結構的縱向長度與橫向截面的最小幾何尺寸之比。
1.利用三角形框架及其組合結構，可以有效地增加結構的穩定性。
3、結構的強度與穩定性
“比薩”在希臘語中是“沼澤之地”的意思。斜塔之所以會傾斜，全是因為它所處位置的土壤比較特殊。這塊土地的土壤不僅軟，還有許多不明物質的存在，導致這些泥土就像被水稀釋過的一樣，想要聚集在一起很困難。而且，在不明物質中又有一些黏性較強的成份，就像萬能膠水一樣，把這些稀釋的泥土混合在一起形成膠質狀土壤。用這樣特殊的土壤打造牢固的地基更是難上加難。當時人們并不知道泥土是這樣的情況，因為在它的上方還有一層普通泥土，成功地迷惑了人們。
3、結構的強度與穩定性
3、結構的強度與穩定性
1987年，比薩斜塔被列為世界文化遺產。
1990年左右，比薩斜塔的傾斜情況讓人堪憂，因此停止向游客開放。并且將塔體傾斜方向上的房子都騰空。
1992年，成立比薩斜塔拯救委員會，向全球征集解決方案。方案的要求有點牽強：既要保持塔身傾斜，保持其特色，又不能讓塔身繼續傾斜以至于倒塌。
3、結構的強度與穩定性
▲方案一：1992年，由 John Burland 領導的小組提供了一個解決方案，就是在塔體傾斜的反方向放置 600 噸鉛塊。不過比薩市民認為，這個只是臨時之舉，并不能解決問題。
自從比薩斜塔關閉以來，當地旅游業的收入減少了 45%，被激怒的市民不滿意這些灰色的鉛塊，嚴重影響比薩斜塔所在的奇跡廣場的形象。群眾的呼聲不得不聽。為了撤掉丑陋的鉛塊，工程師后續計劃用 10 根錨桿來替換鉛塊。然而在 1995 年 9 月，由于插入錨桿的過程出現失誤，比薩斜塔在那幾天持續傾斜了 5.5 厘米，相當于過于一年的量，同時塔內也出現了開裂。
眼看就要倒了，工程師只能在之前 600 噸鉛塊的基礎上再增加 300 噸。這樣斜塔繼續關閉，并且禁止游客在近距離觀察。
3、結構的強度與穩定性
▲方案二：終于有個有效靠譜的方案了
斜塔還是要修的，不過方法更加謹慎了。當時的工程師提出，把斜塔傾斜反方向也就是北部的土移走一些，這可以在不直接接觸塔體，同時讓它自行回正。
這個方案在 1999 年開始實施，1999-2001 年期間，大約 77 噸被挖走。比薩斜塔也回正了 44厘米，回到了 1838 年前的傾斜度。
當時施工的團隊表示，斜塔需要 300 年才會回到預定的位置。2001 年，比薩斜塔重新向公眾開放，在此前的 11 年里，修繕的費用高達3960 萬美元。2003年，工程師還在斜塔北部修了水渠。因為他們發現，北側下方淤泥層的水位，在雨季時會產生波動，這也會影響比薩斜塔的傾斜度和穩定性。
3、結構的強度與穩定性
思考：巧妙的應用結構的不穩定性
5、典型結構欣賞和結構設計評價

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