最通俗易懂的「强柱弱梁」抗震原理学过高中物理的都能看懂.docxVIP

最通俗易懂的「强柱弱梁」抗震原理——学过高中物理的都能看懂如果您还记得高中物理的大部分内容，那么您就知道有一个东西叫做「弹簧系数」。所谓的弹簧系数，其实就是弹簧的受力与弹簧的变形的比值，在结构工程里，这个比值也就是所谓的刚度。比如说我们上… 显示全部最通俗易懂的「强柱弱梁」抗震原理——学过高中物理的都能看懂如果您还记得高中物理的大部分内容，那么您就知道有一个东西叫做「弹簧系数」。所谓的弹簧系数，其实就是弹簧的受力与弹簧的变形的比值，在结构工程里，这个比值也就是所谓的刚度。比如说我们上面这个弹簧，本来的长度是 L，我施加了一个大小为 F 的拉力，弹簧被拉长了，拉长之后的长度变成了 L+x，这其中的增加的长度 x 等于 F 除以弹簧系数 k。这也就是高中物理的 F= kx。当然，我们也知道，弹簧并不是无限结实的，也就是说，弹簧不能被无限拉伸。大家也肯定都有拉断橡皮筋或者弹簧的亲身感受。当橡皮筋被拉长到一定程度的时候，突然啪的一声就断了。我们把整个拉长过程的变形和受力画成图形，当弹簧断裂的时候，最大的变形是 1，与之对应的最大的受力是10。也就是说，弹簧受力过程在受力变形的图形中是一条直线，这条直线的斜率就是弹簧系数 k，这其实就是 F = kx 这个函数的图形化表达。对于这个弹簧，我们可以说，它的最大承载力是10，最大变形能力是1，刚度是 10 除以 1 等于 10。不同的弹簧有着不同的承载能力、变形能力和刚度，取决于不同的材料、尺寸等等。比如我换一根更结实的弹簧，这根弹簧的最大承载能力是 14，最大变形能力是 1，刚度为 14 除以 1 等于 14。如果我们把两根弹簧连在一起呢？比如说，我们把两根刚度为 10、最大承载力为 10 的弹簧连在一起，组成一根新的弹簧，这根弹簧的性能又如何呢？相信高中物理也讨论过这个问题。这两根连在一起的弹簧，受力相等，总的变形等于两者的变形之和。换言之，这根组合起来的新的弹簧，最大承载力还是 10，最大变形能力变成了 2，而刚度变成了 10 除以 2 等于 5。下面就是有意思的部分了。我们说这根新的弹簧的最大承载力是 10，也就是说，我施加大小为 10的拉力，这根新的弹簧就会断裂。问题来了，我们能确定断裂发生在哪个部位吗？简单说，这根 A1+A2 组成的新弹簧，如果被拉断，断点发生在 A1 那一部分呢还是 A2 那一部分呢？答案是不知道，或者说是随机的。可能是 A1 被拉断，也可能是 A2 被拉断。注意，我们讨论的是理论问题，所以我们的前提是 A1 和 A2 是完全一样的弹簧。现实世界中没有两片相同的树叶，也没有两根相同的弹簧。但如果我们接受 A1 和 A2 是完全一样的这个假设，那么断裂发生在 A1 还是 A2 就是完全随机的。那如果不是两根完全一样的弹簧，而是两根不一样的弹簧呢？比如说，我们把上面这个刚度为10的弹簧和刚度为14的弹簧连在一起。这时候，这根新弹簧 A + B 的最大承载能力是多少呢？是 10 还是 14？答案很显然是 10。因为两根弹簧的受力每时每刻都是相同的，A 最大可以承受 10，B 最大可以承受 14。当外力逐步逐步增大到 10 的时候，A 已经达到极限，啪的一声就断了，而 B 却不会断裂，因为这时候的受力 10 还是小于 B 的最大承载能力 14。换句话说，这其实是个「木桶原理」的实例。木桶能装多少水，取决于组成木桶的木板里最矮的那一个；弹簧组成的串联弹簧的承载力，取决于这些弹簧里承载力最低的那一个。这时候这根新弹簧被拉断，我们能确定断裂发生在哪里吗？理论上说，断裂一定会发生在 A 弹簧上。因为 B 弹簧的承载力大于 A，所以一定是 A 先断。也就是说，通过配置不同的弹簧，断裂的位置不再是随机的，而是可以被控制的。我们想让断裂发生在哪里，就把 A 弹簧放在哪里，将来一旦断裂，断点就肯定会发生在那里。类似的例子就是电路里的保险丝，一旦过载，断点肯定是在保险丝那里，而不是在别的地方，从而保护了电路的其它位置。我们也知道，并不是所有的材料都是弹簧，也并不是所有的材料都是拉长到一定程度啪的一声就断了。比如说，大多数金属材料都是延性材料，或者说弹塑性材料，也就是说，这些材料不仅仅像弹簧那样会发生弹性变形，还会发生后面的塑性变形。比如这样一根钢棒，逐渐逐渐加大外力，一开始，它表现的其实就是一根弹簧，变形随着外力成比例的线性增加，刚度为 12。当外力加大到 12，变形变成 1 的时候，这根钢棒开始进入塑性阶段。什么意思呢？意思就是变形持续增加，但是外力不再增加。受力变形图从一条斜率为 k 的斜线变成平行于 x 轴的水平线。举个简单的例子，一根钢尺子，如果你轻轻的掰它，一松手尺子自己就会弹回原来的形状。为什么呢？因为你施加的外力还不够大，尺子还处在斜率为 k 的斜线阶段，也就是所谓的弹性