資源簡介

第一章《結構與設計》學習材料
學習目標
　　①了解結構的含義，掌握常見結構的類型、受力特點、應用場合；
　　②理解結構是為了承受力和抵抗變形的本質，能概括分析結構受力的方法，知道基本構件的特點，理解荷載與結構受力間的關系；
　　③理解應力和強度的概念，知道應力和強度的關系，掌握影響結構強度的因素，理解穩定和結構穩定的概念，掌握影響結構穩定的因素；
　　④掌握結構設計的基本思路，學會簡單結構的設計；
　　⑤在掌握典型結構與設計的基礎上，了解典型結構設計的欣賞與評價；
　　⑥了解典型結構，能從科學、藝術、環境、民俗角度加以欣賞，從而提高鑒賞能力，培養科學的審美觀。
學習內容
一、初識結構：
⒈結構的含義
　　結構是指事物內部的組成、排列及其相互之間的關系。在技術領域，結構是指物體的各組成部分之間的搭配和排列，確定的搭配和排列決定了物體的性質和形態。結構的各組成部分，通常稱為構件。例：人體結構，分子結構，階級結構，文章的結構，汽車結構，桌子結構，地球結構等。
　　結構的本質：物體會受到各種各樣的力，結構是可承受一定力的架構形態，可用來抵抗引起形態和大小改變的力。簡單地說，結構是為了承受力和抵抗變形，這便是結構的本質。
⒉為什么要學習結構？
　　系統的功能對其結構有著絕對的依賴性。所以有人說，結構不僅是事物存在的形式，更是事物特性的依據。
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。
　　⑴同樣是的水，有液態、氣態、固態。
　　⑵同樣是碳，但有最硬的固體金剛石和最軟的固體石墨存在；
　　⑶化學有機物結構不同性質不同（色素）；
　　⑷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；
　　⑸用同樣的材料，做出的結構不同的小板凳就會有不同的特性，有的穩，有的不穩；
　　⑹各種材料組成結構可以使“死的”材料變成“活的”機器。如：發動機、電子計算機……
　　結構不合理就會產生嚴重的后果，如橋斷、屋塌……所以我們應學習結構，將來去創造結構。
⒊什么是工程結構？
　　工程結構是指能承受和傳遞外加載荷的承力系統，包括桿、板、殼等構件及其組合體。也就是說，工程結構可以是單個的構件，如：一根桿，一塊板，一條繩，也可以是一個由不同構件組合起來的組合體。如：一座橋，一張桌子，一架飛機等，它們都可以叫做工程結構。技術課主要研究工程結構，簡稱結構。
⒋幾個重要概念
　　⑴鉸接：桁架全由三角形組成，接頭全為旋轉接頭，稱為鉸接。
　　⑵架構：物體的主體框架與構造形式。
　　⑶構件：組成結構的各組成部分。可以是一個零件，也可以是多個零件的組合。
二、常見結構的類型（從力學的架構與形態考慮）
⒈實心結構
　　⑴實心結構通常是指結構體本身是實心的結構。房屋的墻體、水庫的大壩、古代的城墻等，都屬于實心結構。
　　⑵幾何特征及受力：幾何外形簡單，通常有桿（柱）、板、體等之分。它的受力特點是能承受較大的力，外力分布在整個體積中。
⒉框架結構
　　⑴框架結構通常是指結構體由細長的構件組成的結構。教室的門窗常用木框架，蔬菜大棚的棚體、建筑用腳手架、輸電鐵塔等都是框架結構。
　　⑵組成：由梁、柱、桿、管等組成，也有用板件組成的。這里的桿或板，可以是實心的，也可以是管材。
　　⑶幾何特征及受力：幾何外形較為復雜，其特點是支撐空間而不充滿空間，能承受垂直和水平荷載。依據功能和使用條件的不同，可以設置成不同框架的組合。
⒊殼體結構
　　⑴常見物品：飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、西瓜……
　　⑵結構特征：殼體內空時，受力合理、形態穩定。殼的幾何形狀有折線式（方形、長方形、多邊形）的、圓弧形的和拱形的等。
　　⑶受力特點：殼受沖擊力時，外力由弧面整體分擔承受，抵抗變形。
⒋組合結構
　　在日常生活中我們常見的結構大部分都是組合結構，如：大壩都是拱形和實心結構的組合體；圓頂大廈的頂部都是框架結構和殼體結構的組合（又叫球形空間桁架結構）。
三、結構的受力
㈠作用在結構上的載荷（力）
　　工程結構承受的外力有各種各樣，但以它們對結構的影響來說，主要有以下幾種。
　　⒈拉力：結構承受拉伸時，作用在結構（經常稱為拉桿）上的力是一對方向相反，作用線與拉桿軸線重合的集中力，方向背離桿的底面。其受力實例是吊車的吊繩。
　　⒉壓力：結構承受壓縮時，作用在結構（習慣上稱為壓桿）上的力是一對方向相反，作用線與壓桿軸線重合的集中力，方向指向桿的底面。如液壓機的頂桿工作時就是受壓。
　　⒊剪力：結構在受剪切時，結構所承受的力是分別作用在構件相對的兩個面上，方向相反，作用線錯開微小距離的兩個平行力。連接剪刀兩個部分的銷釘在剪刀工作時就是承受的剪切力，其受力模型如圖。
　　⒋扭轉力：承受扭轉的構件一般都稱為軸。它承受的外力是一對作用在軸兩端面內，轉向相反的力偶矩，其受力實例和力學模型如圖。
　　⒌彎曲力：承受彎曲載荷的構件，一般稱為梁。梁在承受彎曲時，受力情況比較復雜，其中一種載荷叫做彎矩。它是作用在過梁的軸線且與橫截面垂直的平面內的力偶矩。其作用力是使梁產生彎曲變形。
㈡結構受載荷實例
任何結構承受的外載荷，都是拉、壓、剪、扭、彎中的一種或幾種的組合。工程結構的主要功能就是承受和傳遞各種形式的外載荷，保證結構的可靠工作。
　　⒈秋千的吊索，主要承受拉力；　　⒉橋梁的橋墩，主要承受壓力；
　　⒊連接齒輪和軸的鍵，主要承受剪力；　⒋汽車方向盤的軸，主要承受扭力；
　　⒌單杠的杠體，主要受彎力； ⒍吊扇旋轉，吊桿主要受扭力和拉力；
　　為了保證結構的正常工作，這些構件必須有對于主要載荷的足夠的承載能力。這是結構設計中必須考慮的重要問題。
㈢典型結構分析
⒈單杠結構分析
　　⑴各部分名稱：杠體，立柱和拉桿。（為什么做成這樣的結構？）
　　⑵杠體的受力與變形：杠體總是朝著人體所在的瞬間位置的方向上發生彎曲。——彎曲力
　　⑶立柱、拉桿的受力與變形：
立柱：靜止時受壓力；當人在運動時，對立柱產生彎矩M，使立柱彎曲變形。——怎樣做才能保持單杠穩定？
拉桿：人在運動時，拉桿起到輔助立柱抗變形作用。
⒉棚室屋架結構分析
　　⑴棚室荷載與立柱受力：永久性荷載（不隨時間變化而變化的荷載）和可變性荷載（隨情況變化而變化的荷載）。
　　⑵梁的受力：梁的上部，受壓力，材料被擠壓；下部，受張力，材料被拉伸。防止彎曲變形大的方法：增加支撐點。
　　⑶拱結構的應用
拱結構：中間高四周低，呈弧形的曲面。
應用：在跨度較大的情況下，建筑物多采用拱結構。這樣的結構既有利于承載，又美觀。
三、結構的強度與穩定性
㈠結構的強度
⒈應力與強度
　　⑴內力：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。
　　⑵應力：作用在單位面積上的內力稱為應力。
σ=N/S
式中，N為內力，單位為牛，S為構件截面積，單位為平方米。應力σ的計量單位為Pa，通常用MPa。
　　⑶通常，物體結構抵抗變形的能力，都以強度表示。而用應力來衡量強度，即科學又準確。
　　⒉影響結構強度的因素：①形狀；②材料；③材料的連接方式。
㈡結構的穩定性
⒈什么是穩定？
　　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，則為穩定。不能回到原有平衡狀態，為不穩定。
⒉結構穩定的含義
　　穩定性和強度一樣，也是物體結構的重要性質。結構具有阻礙翻倒或移動的特性，就是結構穩定性。（如不倒翁、大壩等）
⒊影響穩定性的因素
　　⑴結構的形狀：結構形狀不同，其穩定性也不同（“A”字型金字塔、堤壩等）。物體的重心若超出其支撐面，則要翻倒，即失穩。
　　⑵重心的位置：作用在物體重心上的重力，總有將物體的重心盡量拉近（吸向）地面的趨勢。所以重心越低越穩。
　　⑶結構的底座：結構與地面接觸所形成的支撐面越大越穩定。
　　⑷材料：材料也會影響結構的穩定性。
㈢結構與功能
　　結構不僅是事物存在的一種形式，而且對事物的功能和作用產生著直接影響。結構的改變可能導致功能的變化。不同結構的物體其功能不同，這是我們認識結構的關鍵。
　　事實上，物體的結構是由物體的功能和需要決定的，而物體的結構又決定了物體的性質和形態。
認識幾種工具的結構：活口扳手，手錘，管鉗，喝水杯，書本……
四、簡單結構的設計
　　結構設計對于我們的日常生活、對于各種各樣的生產活動都非常重要。日常生活中，沒有豐富的結構設計，產品將會造型單一、功能單調，那些大型建筑物、交通運輸工具等更是無法產生；生產活動中，產品制造技術、結構安全性及耐久性評估、維修加固技術等，都離不開結構的設計和研究。
　　⒈結構設計應考慮的主要因素
人們設計結構是為了完成某種任務或滿足特定的需要。在進行結構設計時，必須明確設計的目標和要求，必須抓住主要因素展開工作。
　　⑴結構設計的目標及要求
結構設計應以一種或幾種功能的實現為基本目標，應滿足設計規范，滿足使用者的基本需要。
　　⑵結構設計應考慮的主要因素：①符合使用者對設計對象的穩定性和強度要求；②安全因素；③公眾和使用者的審美需求；④使用者的個性化需要；⑤對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命等。
　　在工程的結構設計中，應考慮結構的安全性、適用性和耐久性。在考慮結構的穩定性和強度，使結構在規定的條件下和規定的使用期限內，能實現一定的功能的同時，還要考慮經濟因素，如做到用料省、成本低等，也就是說，力求以最低的成本使所建造的結構達到預定的要求。
　　不同的結構設計，應考慮的因素各有側重，但無論在哪一類用途的結構設計中，安全都是至關重要的因素。


⒉簡單結構的實際案例
⑴結構的設計一般有以下步驟
①設計項目；
②設計要求：達到什么樣的功能，具有一定的穩定性和強度，裝飾性，尺寸要求等；
③設計分析：分析結構的組成部分、連接方式等；
④設計準備：所用材料、工具等；
⑤設計方案：可形成幾種方案。
五、欣賞和評價典型結構設計
　　優秀的結構設計不僅表現在結構的實用功能上，也表現在形式上，特別是功能與形式的統一上。古今中外許多能工巧匠把結構的功能與形式恰當地結合起來，形成了一些經典的結構。
賞析結構設計作品，可以從技術與文化兩個角度進行。
　　技術角度主要有：結構的使用功能的實現；結構的穩固耐用；結構造型設計的創意和表現力；材料使用的合理性；工藝制造的精湛程度等。
　　文化角度主要有：結構的文化寓意與傳達；公眾認可的美學原則；反映的時代、民族、習俗方面的特征；結構的個性特征等。
六、熱點問題
　　⒈北京奧運主會場結構設計，各種體育場館的結構設計。
　　⒉三峽工程結構設計。
　　⒊現代家具結構的設計。
七、練習題目
1、有的礦泉水瓶上有若干凸起的橫向紋路，它的作用是什么？
答：⑴增加瓶子的強度，受力不容易變形；⑵增大手與瓶子之間的摩擦力。（便于人們抓握）
2、觀察分體式空調器壓縮機在戶外墻上的固定，它是通過什么方法加強牢固程度的？能否只用壁掛式方法固定，為什么？
答：分體式空調器在戶外的固定一般采用鐵架支撐的方式，鐵架由三角形構成，并通過膨脹螺釘固定在墻上，空調主機用螺栓連接固定在墻上。由于空調器主機自身的重力比較大，若像室內的掛機那樣，打入墻體內的膨脹螺釘的強度勢必不足以承受空調主機的壓力而出現斷裂。
3、分析題：2004年5月23日，巴黎戴高樂機場2E候機廳頂棚發生坍塌事故，造成包括兩名中國公民在內的4人死亡，3人受傷。事后，法國戴高樂機場2E候機廳坍塌事故專門調查委員會15日公布調查報告認為：由于最初的安全準備不足，頂棚處于“瀕臨死亡”狀態，雖然支撐了一段時間，但抵抗外力的能力卻逐漸減弱。一系列結構上的問題使頂棚抗外力強度逐漸受損，最終導致結構坍塌。
調查委員會還指出該建筑的一些缺陷：鋼筋混凝土骨架強度不夠或定位不好，缺乏當某一局部構件出現問題時向其它區域分散壓力的可能性，連接水泥頂棚和下層玻璃的承梁抗擊外力的能力不足等。
調查報告分析認為，由于頂棚的抗外力強度不斷減弱乃至消失，在某些因素的觸發下，頂棚就會發生坍塌。調查委員會認為，事故有兩個可能的觸發因素：其中一個是氣溫，事故發生那天早晨的氣溫是4.1攝氏度，為當月最低氣溫；另一個因素是頂棚支柱的卡箍松弛。
請你以上述案例分析影響結構穩定性的原因是什么？以及結構的穩定性在工程技術設計中的重要性。
提示：影響結構穩定性的原因有：⑴形狀。結構的形狀略有改變，強度就會改變；⑵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；⑶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。
物體的結構對物體的穩定性至關重要，當物體的結構發生改變時，必定引起物體發生坍塌。
4、在設計制作“壁掛書架”時，其中支撐架的材料可以選用繩索嗎？為什么？
答：不行，因為此處的支撐架是一種支撐力，而繩索只能施加牽引力。
5、人們最早利用混凝土的時候，只是把他當作人造石材。作為人造石材的混凝土與一般石材一樣，雖然有較好的耐壓性能，但是經不起拉力。除了其形狀很容易滿足人們的需求外，它與其它石材并沒有特殊的優點。但是，它有一個重要的性質，那就是它的膨脹系數與鋼材很接近。因此，它可以與鋼材緊密結合起來。當人們把混凝土與鋼材結合起來做梁后發現：“這樣的梁既能受壓也能受拉（因為鋼材善于受拉，混凝土善于受壓），其強度比用混凝土做成的梁的強度大的多。現請你根據上述描述，畫出鋼筋混凝土梁的簡單結構圖。（提示：鋼筋混凝土梁的簡單結構圖如下）

6、從技術、文化角度欣賞評價中國古建筑的結構——飛檐（如：長江大橋邊上的岳陽樓）
答：飛檐是中國古建筑的屋頂結構的特色之一。屋頂的曲線，向上微翹的飛檐，使得原是異常沉重的屋頂，反而隨著線的曲折，顯出向上挺舉的飛動輕快。
⑴技術角度
①功能：飛檐的向外和向上探伸翹起的屋角，使十分龐大、高聳的屋頂顯得格外生動而輕巧，擴大了采光面，有利于排泄雨水。
②結構設計：以岳陽樓為例，岳陽樓三層建筑均有飛檐。挑出的飛檐，由斗拱承托，承托飛檐的方木塊叫做“斗”，托著斗的木條叫做“拱”。飛檐的造型美并沒有脫離建筑屋頂本身的結構功能而獨立，其輪廓和諧、對稱都是在合理的受力結構基礎上所產生的。屋面凹曲，屋檐、屋角和屋頂的飛脊都是彎曲的，形成曲線和直線的巧妙組合。
③技術施工：岳陽樓是純木結構，飛檐、斗拱及整個建筑沒有用一釘一鉚，僅靠木制構件的彼此接連，經受歲月的剝蝕而昂然聳立了上百年。飛檐、斗拱的結構之復雜、工藝之精美，令人驚嘆！
⑵文化角度：飛檐的造型減輕了古建筑大屋頂的沉重感，使建筑靜中有動，增添了建筑物飛動輕快的美感。飛檐造型傳出尊貴、凝重的寓意，體現了高貴、華美的風韻，豐富了中國古代建筑文化。現代建筑設計師們對它也異常偏愛，使得這一特殊的中國古典建筑結構得以演變、改進和發展，并流傳下來。
7、從技術、文化角度欣賞評價現代設計師阿納·雅格布森設計的蛋形椅。
丹麥設計師阿納·雅格布森的作品十分強調通過細節的設計，以達到整體的完美，他把家具、地板、燈具等的細節看成與建筑總體設計一樣重要。1958年，他為斯堪的納維亞航空公司旅館設計的蛋形椅是他的典型代表作之一。
⑴技術角度：
①功能：在使用功能上，蛋形椅具有與其它椅子相同的功效。
②結構設計：蛋形椅的結構簡潔大方，獨腳支撐，支撐腳線條明快，均以不銹鋼為材料，椅面和靠背是用熱壓膠合板整體成型。
⑵文化角度：整體造型精煉、雅致，具有雕塑般的美感和強烈的時代氣息。這一設計改變了傳統的實用主義設計理念，形成優雅的浪漫主義設計風格，導致了人們對家具的重新理解，引發了20世紀60年代新型家具的出現。
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