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技术与设计2 第一章 结构与设计 一．结构的含义： 是指物体的各组成部分之间的搭配和排列，确定的搭配和排列决定了物体的性质和形态。 二．构件： 结构的各组成部分，通常称为构件。 三．常见结构的类型： （1）实心结构。如房屋的墙体、水库的大坝、古代的城墙等，它的特点是能承受较大的压力。这类结构的特征是几何外形简单，通常有杆（柱）、板、体等之分。 （2）框架结构。教室的门、窗，常用木框架。塑料大棚的棚体可以是钢铁框架，也可以是竹木框架，自行车车体是钢管桁架式框架；输电铁塔是铁质桁架式框架。它们由梁、柱、杆、管等组成。 （3）壳体结构。日常使用的各式各样的饮水杯、储水壶、文具盒、储蓄盒，钢板制成的装甲车，用于太空飞行的舱体，工业储油的球形大油罐，运油的圆柱形车载大油罐，航道标识用的浮标等，从架构与形态上看，都同属壳体结构。壳体结构的特征在于壳体内空，受力合理、形态稳定。 从结构的几何形态来分，有以下几种。[P11] （1）缆索结构。它可以是线、绳索、细管等。如帆船上的缆索与桅杆，缆索的作用是防止桅杆倾倒及挫曲。 （2）桁架结构。桁架全由三角形组成，接头均为旋转接头，称为铰接。大跨度建筑的屋顶、大型桥梁等，常采用桁架结构。 （3）空间桁架结构。为立体桁架，即网架。三边金字塔和四边金字塔形较为普遍。许多加油站顶棚，都采用不锈钢材料的空间桁架结构，壮观精美。 （4）球形空间桁架结构。，是用桁架来形成一个球体，即球网壳，又称网弯。它由4面体、6面体、8面体、12同体、24面体5种几何形状。如球形桁架屋顶。 四．内力和应力 （1）内力：外力使构件发生变形的同时，构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为内力。 （2）应力：作用在单位面积上的内力，称为应力。应力可用下式表示：σ =N/S。式中，N为内力，S为构件截面积。应力的计量单位为N/mm2或N/cm2。物体抵抗变形的能力，都以强度来表述；物体所能承受的应力越大，就表示物体越结实。 五．（3）材料的连接方式。非常重要，在理解的基础上记忆。 六．稳定与不稳定 稳定：是指受扰后，允许状态有所波动，但当扰动消失后，能重新返回到原平衡状态，则为稳定（如单摆）。 不稳定：扰动消失后，不能回复到原来的平衡状态，称不稳定（如倒摆）。 七．稳定性 是结构的重要性质。比如，单杠的立柱埋入地下部分不牢固，致使对杠体的支撑不稳，在使用时会摇来摆去，严重时甚至翻倒。不倒翁是一种典型的稳定性结构。不论从什么方向去推它一下，它的身形虽然会倾斜摆动，但摇晃几下后，终会恢复原状态；即使一时将它翻倒，只要解除对它的扰动，它还会回到原状态。结构具有阻碍翻倒或移动的特性，就是结构稳定性。 另有解释是结构在荷载的作用下维持其原有的平衡形态的能力就叫做结构的稳定性。 如三角形的稳定性。 八．影响结构稳定性的因素： （1）结构的形状。一个物体是否容易被翻倒、推倒，与它的支撑底面形状、底面积大小有主要关系。如下图中图(a)中，底面由三点支撑，等同于由三点连成的三角形支撑；图（b）中，底面由同样距离的三点连接的圆面支撑。我们知道，物体的重心若超出其支撑面，则要翻倒，即失稳。由于rR，图（a）相对图(b)来说，易出现失稳，所以图(b)所示的结构形状的稳定性相对要好。金字塔或金字塔型的建筑，如江河的人造堤坝，如同“A”字形。可想而知，倒过来，即“” 形结构，稳定性就差了。 （2）重心的位置。作用在物体重心上的重力，总有将物体的重心尽量拉近吸向地面的趋势。因此，物体的重心位置不当（如偏高），物体将易被移动甚至翻倒。不倒翁之所以稳定，就是因为它的重心设置得很低，在它纵向长度的一半以下。 对一个结构而言，如果重心所在点的垂线落在结构支撑底面的范围内，就不会出现倾倒。 九．巧妙地增加结构的稳定性 尽可能地增大结构的支撑面积；尽可能地降低结构的整体重心位置。但是，做到这两点要受到很多条件的限制。 （1）减小长细比：长细比，指的是结构的纵向长度与横向截面的最大尺寸之比。如果是梁，长细比越大，越易弯曲；如果是杆件，长细比越大，也越易变形。 （2）利用三角形框架及其组合结构，可以有效地增加结构的稳定性。 十．欣赏和评价典型的结构设计要从（技术）与（文化）的角度 [P36]。 1．在交通法规中规定，驾乘两轮摩托车必须戴好安全帽，否则会被罚款，扣分。请你从结构的角度分析安全帽是怎样保护你的头部的？ 2．有一个筷子，这个筷子的容许应力为50N/ cm2，此处截面积为4cm2，如果外界给它一个外力，使它产生180N的内力，筷子会不会断，为什么？（15分） 3．沼气池的结构类型为（ ） A.实体结构 B.框架结构 C.壳体结构 D.组合结构 4．分析下列物体