(共123张PPT)
第二节、
稳固结构的探析
任务一
探析结构稳定性
日常生活中，时常会看到翻倒在地的物体，如路边倒地的自行车、地上翻倒的空竹篓等。这是因为当物体受到荷载作用（受到外力）时，原有的平衡状态被打破而出现的不稳定现象。
台风过后的灾害打破原有的平衡状态出现了不稳定现象
04年5月23日，巴黎戴高乐机场2Ｅ候机厅顶棚发生坍塌事故，事故原因：金属构件本来也负担着顶棚的重量，但弧度结构上的裂痕使这个构件逐渐穿过了顶棚，不再支撑数十吨重的顶棚，最终导致拱形顶棚发生坍塌。
汶川大地震中灾难性的画面
为什么北川希望小学在地震中屹立不倒？
日本的五重佛塔
建立于1300年前，它曾经遭遇过很多次地震和强风的袭击
，但依然保持1300年前的风貌。是世界上最古老的木建筑群
。
一、结构的稳定性
结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。
如果一个物体的结构不能有效地抵御荷载的作用，那么该物体就很难保持原有平衡状态。
第2题：在悬臂保持稳定的情况下，离支撑面边界越远，所能悬挂重物的质量越小。
二
、影响结构稳定性的主要因素
影响结构稳定性的因素有多种，主要有：
1、重心位置的高低
2、结构与地面接触所形成的支撑面的大小
3、结构的形状等
从悬臂结构的技术体验活动中我们可以看出，结构重心的位置影响着结构的稳定性。
在工程领域中，有的起重机的质量达几百吨，且重心很低，所以在较大的荷载作用下也能保持稳定。
常生活中，有的独脚茶几的底座采用较重的材料（如大理石），台面采用比底座轻的材料（如木材），使茶几的重心降低，以提高稳定性。
探究试验一：铁块和泡沫的组合体：
铁块
泡沫
泡沫
铁块
．
．
重心
不倒翁为什么不倒?
影响结构稳定性因素一：
注：重心越低，稳定性越好
重心越高，稳定性越差
重心位置的高低
哪个更危险？
想一想：怎样让遮阳伞更稳定?
降低重心
比萨斜塔为什么会斜而不倒？
它从1174年始建1350年竣工，经历了176年。但由于塔身过重，地质松软，因此塔身仍以每年1．25毫米的速度向南倾斜。到1999年1月，塔顶比中轴线偏斜已达4．8米。
小资料：中国的斜塔
辽宁瑞州古塔，现存塔身高10米，塔身向东北方向倾斜12度，塔尖水平位移1.7米。该塔建成之后虽几经地震与洪水破坏，却始终斜而不倒，堪称奇迹。
探究性试验二：
活动方形架
结构与地面接触所形成的支撑面实际上都与重心垂足的位置相关。对于一个处于静止状态的结构而言，如果重心的垂足落在结构的支撑面内，就是稳定的，不会倾倒。
为什么不会翻到？
为什么不会翻到？
仔细观察它们有何特点?
但是有些产品在使用过程中，重心很高，这些产品是怎样保持稳定的呢？
人在使用梯子时，重心升高还能保持稳定的主要原因是梯子的支撑面较大，人和梯子重心的垂线不会超出支撑面。横梁的作用是构造三角形，使梯子展开后的角度固定，从而保持稳定。横梁放置位置不同，梯子张开的角度就不同，从而影响支撑面的大小，影响稳定性。图丙和图丁所采用的结构都是使梯子保持稳定，图丙是通过锁定连接节点不再转动，使梯子的几何结构保持稳定，图丁是通过扩大支撑面，使梯子使用时更稳定。
底座大小（结构与地面所形成的支撑面的大小）影响结构的稳定性。
支撑面越大，稳定性越好
支撑面越小，稳定性越差
影响结构稳定性因素二：
卫星电视接收天线
支撑杆有螺丝固定在大框架上
五重佛塔的结构简图
想一想：
为什么大坝的横截面总是建成梯形的？
木雕圆桌、圆凳
支撑面积大
摆放稳定
为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜？
想一想：
摄影棚的摄象机、射灯均为三角架支撑
想一想：怎样让遮阳伞更稳定?
增大支撑面
结构的支撑面
结构的接触面：
提示：注意接触面与支撑面的区分。
探究性试验三：
不同结构形状的框架。
一个用4根小木条钉成的相框，牢固吗？有什么方法可以使它变牢固？
探究
三角形是框架结构最基本的形状之一，结实、稳定、材料最少。在四边形、六边形构件中，加上三角形支撑件，就可大大增加构件的牢固、稳定程度。
桁héng架结构
空调安装架
空调
观察学校的篮球架，你觉得它采用了什么样的结构形状？
结构或构件的形状影响结构的稳定性。
三角形结构使支架更容易稳定
影响结构稳定性因素三：
三角形是框架结构中最基本的形状之一,它结实、稳定，所用材料最少。
A字形梯为什么载人时能够保持稳定？
如果没有梯子中间的拉杆将会怎么样？
回过一下：
单脚支撑的自行车放稳的原因分析
自行车的重心落在前后轮与支撑架构成的支撑面内，它是稳定的。
回过一下：
残疾人专用电动车结构有什么特点
小孩子的自行车结构有什么特点
一种人力驱动的冰上自行车，有车架、踏板曲柄、链轮、前转向轴及后轴。其特点是∶在前转向轴的一端处装有一只前冰刀，在后轴的两端对称地刚性联接两个倾斜的盘状冰刀，从而形成一种三点支撑的可在冰面上前进、倒退、前后滑行及刹车的冰上自行车。
鸡蛋的结构稳定吗？有什么方法能使鸡蛋竖起来？
石油气罐
影响结构稳定性的因素是相互关联的，需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定性。
物体在静止状态与运动状态下的稳定性条件也是不同的。
探究性试验四：倒立和正立的两瓶矿泉水
不稳定的结构应用：
１.倒置的啤酒瓶可以预报地震。
２.在打水的桶口边挂一重物，在水面时能自动翻倒打水。
张衡地动仪
拓展：不稳定的结构应用
什么原因建筑结构被破坏？
普洱地震
唐山地震
汶川地震
为什么会发生这些现象
任务二
探析结构强度
生活中有时会出现这样的情况：人坐到塑料凳上，凳脚被压断了；下大雪时，房梁被压断了。这些事例说明，这些结构不具有抵抗上述荷载的能力。
结构抵抗荷载的能力用强度来表示。
结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。
海啸
大堤坝
一、结构的强度
普洱地震
唐山地震
拔河
绳子的强度
当结构构件受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用发生改变，产生一种抵抗外力与形变的力，称为内力。
如下关系式表示：
σ
=
FN/A。
应力可以作为表示结构构件强度的基本指标。
构件单位横截面积上所产生的内力就是应力。
FN为内力
A为受力面积
σ为应力
弯曲
当外力使一个物体的一端发生偏转而另外一边仍然保持不变。
在发生弯曲的点，在顶上的分子正在被分开，在底部的分子则正在被压缩。如果这些力超过分子结合一起的力,
横梁就会断裂。
当外力像下面这些图片显示的方式作用在物体上的时候，就会出现应力：
木条弯曲时，下表面被拉伸，上表面被压缩；被拉伸的面先断。
思考：木条弯曲时，上下表面发生了什么变形？弯曲变形过大时，哪个表面先断？
第3题：材料和连接方式对承重能力有影响，强度高的材料制作的结构强度相对更好；连接节点牢固可靠，有利于结构的整体承重性能的提升。
第1题：三角形结构的承重能力要强
想一想
分析不同垒法的墙，当施加同样的外力时，哪种垒法的墙不容易推倒？稳定性最强，结构的强度最强？
二、影响结构强度的主要因素
结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。
交绰[chuò]搭建增加结构强度
1、结构的形状、
2、结构的材料、
3、结构构件之间的连接方式
影响结构强度的主要因素
1、结构的形状
相同材料，相同截面积，不同截面形状的构件强度不同。
结构的形状
空调架
金刚石及其结构
结构的形状
各种形状的横截面构件，所承受力的程度是不一样的。
三角形是框架结构最基本的形状之一，结实、稳定、材料最少。在四边形、六边形构件中，加上三角形支撑件，就可大大增加构件的牢固程度。
抗拉性较强
抗压性较弱
纸张的特性
纸结构的基本形状：
纸结构的其他形状：
……
纸结构的组合：
承重性测试
纸箱结构形状
该站立式办公桌脚架采用铝合金材料一体成型，且内部设计成网格，其主要目的是在不明显增加材料用量的情况下，大大增加了强度。一般的塑料桌、塑料构件通常采用类似的结构。
问题：
下图是两位同学制作的筷子支架结构。为什么右边这个只能支撑一个5千克的铅球，而左边这个却能支撑两个共8千克的铅球？请分析原因。
分析：因为结构的强度与结构的形状有关。左边的结构内部有三角形支撑结构，所以它的强度更强，能支撑2个铅球。而右边结构的内部没有三角形支撑结构，所以它只能支撑1个铅球。左边的结构更加稳定，因为它的支撑面积比右边的大。
矿泉水瓶的形状
如图所示，某村庄旁边的小河上原有一座限重1.5吨的简易梁式桥。桥下的河水较浅，不能通航。现在由于经济的发展．运输量有了极大的增加．必须使桥梁的承重能力加以提高。但是又不能把桥拆掉后重新再建．因为这是该村唯一的公路桥。那么我们应该如何进行改进，设计出符合要求的桥梁结构呢?请同学们设计出3种以上的改良方案。
你能帮帮我吗？
选择合适的材料制作斜拉索，并在桥两侧安装足够强度的立柱。
由于小河不能通航，所以可以增加一个或几个桥墩来加大承重。
在桥面下增加拱形结构，在不影响桥面通行的情况下，可以增加桥梁的承重。
在桥的两侧增加钢制的三角形桁架结构。
2、结构的材料
不同材料构成的结构，其强度各不相同。一个坚固的梁必须具有好的抗拉、抗压、抗剪切和抗扭曲的性能，所以梁通常由不止一种材料制成。
使用钢筋混凝土结构的好处是什么？
如一根混凝土梁含有钢筋，混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，它们共同形成了非常牢固的结构。
结构的强度与材料有关
VS
纸杯
钢杯
结构的材料
不同的材料可能带来结构上的变化。
采用塑料为材料，可以制造成一次性压模成型的结构。
以椅子为例
采用木头为材料，可以设计成框架结构；
采用不锈钢为材料，可以制造成框架结构；
由于材料与结构强度具有密切的关系，因此在设计过程中应注意挖掘材料特性所带来的新结构的可能。
无人机的制作材质是随着材料技术的发展而不断变化的，采用密度小而强度高的轻质材质是比较理想的选择，使无人机自重更轻，更加节能，且强度更好，而碳纤维复合材料具有这一特点，因而被广泛用于无人机上。
结构构件的连接通常有以下两类：
铰连接
刚连接
3、结构构件之间的连接方式
1）铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动。
2）刚连接：被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动。
榫接
胶接
焊接
构件连接方式
同一结构有哪几种连接方式？当横梁受到向下的荷载作用时，请分析哪种连接方式的强度更好。
（1）
（2）
（4）
下图结构属哪种连接方式？
连接方式对结构强度的影响还体现在连接件的选择上。以铆接为例，铝制空心铆钉主要用于受载荷不大的铆接场合，而不锈钢铆钉则用在高拉力、耐腐蚀的场合。
升降调节方法：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压的力，松开手柄即可固定高度。支撑杆和桌面支撑杆及底部支撑脚之间均采用铰连接，可转动，构造了可形变的四边形结构，因而可调节高度。通过钢丝传递制动力，制动装置固定气撑杆与支撑杆之间的连接节点，从而固定调节后的高度。支撑杆和支撑框架之间采用铰连接是实现折叠功能的前提条件。
这样做有可能导致成本、体积、自重大大增加，最终还可能影响结构的功能。
香炉内部由几个轴心线互相垂直的金属环构成，最里面的金属环的轴上装着半圆形容器，内盛香料。由于互相垂直的各环转轴彼此制约及半圆形容器自身重心的影响，使香料不会倾倒。
第一款电风扇的底座较重，且有一定的底面积，该电风扇是通过降低重心和设计一定大小的支撑面来保持稳定的；
第二款电风扇主要是靠较大的支撑面来保持稳定的；
第三款也主要是通过较大的支撑面来保持稳定的。
市场上销售的家具一般是板式结构，且可拆装的。如橱柜的构造板之间通常采用预埋的连接件或预制的连接孔位，用偏心连接件等金属构件连接，橱柜门和框体之间通常采用铰链连接。
