结构与设计专题知识讲座1(xg).ppt

1、Company Logo结构与设计专题知识讲座结构与设计专题知识讲座北京教科院基教研中心主讲人:韩向东主要内容主要内容v一、载荷简介v二、常见约束类型及其约束力v三、杆件变形的基本形式v四、三类结构的形态及受力特点v五、结构（物体）的受力分析v六、结构设计从技术层面应考虑的因素v七、影响结构稳定性的主要因素v八、影响结构强度的主要因素v九、梁的强度v十、压杆的稳定性一、荷载简介一、荷载简介所谓作用，是指能使结构产生效应（内力、位移、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称。它可归结为直接作用和间接作用两种。直接作用是指直接施加在结构上的力，如结构自重、设备重量、风、雪等；间接作用是指能使结构产生外

2、加变形或约束的原因，如地震、温度变化、地基变形、材料的收缩等。直接作用通常又称为荷载。按不同的依据，荷载可有多种分类方式。v（1）按荷载随时间的变异分类v恒载（永久性荷载）：指作用在结构上长期不变的荷载，如结构自重等。v活载（可变性荷载）：指作用在结构上可变的荷载，如风荷载、雪荷载等。v偶然荷载：是指在设计基准期内出现的概率很小，但一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力、龙卷风等。v（2）按荷载的分布形式分类v集中荷载：施加在结构或构件某一点（力的作用范围远小于构件时）上的力。如图钉对物体的压力。v线荷载：施加在结构或构件某一长度上的力。如从屋檐落到地面上兩滴的力。v面荷载：

3、施加在结构或构件某一面积上的力。如压力。v体荷载：施加在结构或构件某一体积上的力。如重力。v（3）按荷载随位置的变异分类v固定荷载：是指在结构空间位置上具有固定分布的荷载，如固定设备等。v可动荷载：是指在结构空间位置上的一定范围内可任意分布的荷载，如吊车荷载等。v（4）按荷载对结构的运动状态变异分类v静态荷载：是指不使结构产生加速度或产生的加速度可忽略不计的荷载，如自重、楼面活荷载等。本书（技术与设计）主要介绍静载作用下结构的受力问题。v动态荷载：是指使结构产生不可忽略的加速度的荷载，如车辆荷载等。v（5）按荷载对结构产生的运动形式分类v力：对物体有移动和转动两种作用的荷载。v力偶：对物体只有

4、转动作用的荷载。v力偶与力偶矩v汽车司机用双手转动方向盘（图1-a），钳工用铰杠丝锥攻螺纹（图1-b）等等，都作用了一对等值、反向、不共线的平行力。图1v我们把大小相等、方向相反、作用线平行但不在同一直线上的两个力称为力偶（图1-c）。图1v力偶中，两力作用线间的垂直距离d称为力偶臂，两个力所在的平面称为力偶的作用面。在平面问题中，力偶使刚体转动的效应，可用力偶中一个力的大小F与力偶臂d的乘积，并冠以适应的正负号来度量，称为力偶矩，记为M或M（F，F）。即MFdFdv力偶与力一样也有三要素，即力偶矩的大小、力偶的转向及力偶作用面。v力学基本要素的一元论和二元论简介v一元论：力偶对物体的转动效应

5、，也属于力对物体产生的效应范畴之内。因此，力偶只是两个力构成的一种特殊力系。v二元论：力偶无合力，力与力偶既不能互相平衡，也不能互相替代。因此，力和力偶是力学研究中两个相互彼此独立的基本要素。这种观点被绝大多数人接受。v力偶矩的正负规定与力矩的正负规定一样，即使物体逆时针转动的力偶矩为正（图1-d）；反之为负（图1-e）。v力偶矩的单位与力矩的单位相同，即Nm或kNm。图1v结构与构件不是孤立存在的。它们总是与其它物体连接在一起，结构和构件受荷载作用后，可能产生运动。为此，必须有物体限制其运动，下面介绍对物体运动的限制，以便对物体进行受力分析。二、常见约束类型及其约束力二、常见约束类型及其约束

6、力v约束与约束力v1、约束：我们把对物体运动起限制作用的周围物体称为该物体的约束。对结构整体讲约束又是构件间的连接或结构的支撑。v2、约束力：约束施加在所研究物体上的力称为约束力。v1、柔体约束：绳索、链条、皮带等柔性体对物体的约束称为柔体约束。v2、光滑面约束：不考虑摩擦的接触面约束称为光滑面约束。v3、圆柱铰链约束：圆柱铰链是用一圆柱（销钉）插入两个构件的圆孔中，且认为销钉与圆孔的表面是完全光滑的，两个构件都可绕销钉自由转动。门、窗用的合页、燃气灶盘上的爪联接等都是圆柱铰链约束的实例。如图2所示。v圆柱铰链约束的常见形式有：v（1）固定铰支座约束：如果其中一个构件固结于地面或机架上（图3a

7、），这种约束称为固定铰链支座，其简图如图3b。v（2）活动铰链支座约束：如果铰链支座的座体，用几个圆柱形辊轴支承在光滑面上（图4a），这种支座称为活动铰链支座，其简图如图4b所示。v4、固定端约束：物体的一部分固嵌于另一物体内所构成的约束，称为固定端约束。例如，建筑中的阳台（图5a），车床刀架对车刀杆的约束（图5b），插入地面中的电线杆所受的约束，以及铆接、焊接构件所受的约束等，均可视为固定端约束。v5、链杆约束（二力杆）：凡两端具有光滑铰链，杆中间不受外力作用，又不计自身重量的刚性杆，即二力杆。三、杆件变形的基本形式三、杆件变形的基本形式v结构的本质是为了承受力和抵抗变形，因此，有必要了解杆

8、件变形的基本形式及其受力特点。变形形式工程实例受力简图受力特点变形特点拉伸和压缩外 力 沿杆 的 轴线作用杆 沿 轴线 方 向伸 长 或缩短剪切 两 个 等值反向、作 用 线相 距 很近 的 平行 力 作用两 平 行力 间 截面 发 生相 对 错动变形形式工程实例受力简图受力特点变形特点扭转两个力偶矩相等、转向相反，作用面垂直于杆的轴线的力偶作用相 邻横 截面 发生 相对 转动弯曲外力垂直于杆的轴线，外力偶与轴线共面梁 的轴 线由 直线 变成 曲线四、三类（按几何尺寸分）结构的形态及受力特点四、三类（按几何尺寸分）结构的形态及受力特点结构名称结构名称形态特点形态特点受力特点受力特点实体（实心）

9、结构结构体是实心，几何特征是长、宽、高尺寸约为同一数量级外力分布在整个体积中，能承受较大压力框架（杆系）结构结构体外形较复杂，支撑空间而不充满空间，由细长构件组成，几何特征是长度远大于宽度和高度外力分布在一些点上，能承受水平和垂直外力壳体（板壳）结构壳体内空、形态稳定，几何特征是厚度远小于长度和宽度外力分布在结构表面，材料直接受压，以减小弯矩，受力均匀合理五、结构（物体）的受力分析、变形分析五、结构（物体）的受力分析、变形分析（一）、方法步骤1、受力分析（1）拆：把所研究的物体与周围其它物体从接触处，联接处拆开。（2）绕：绕所研究物体一周，顺时针或逆时针，上、下、左、右均可确定与几个物体接触、

10、连接。（3）定：确定接触点及连接点力的作用点。根据接触、连接的性能（柔索、光滑接触面、铰链、固定铰支座，可动铰支座、二力杆、固定端）确定约束力的方向、指向。（4）画：把已知力和约束力按所确定的位置和方向画在所研究物体的图上。v2、变形分析v（1）分解或平移：v力的作用线与轴线斜交时，把力沿轴线方向和垂直于轴线方向分解。v力的作用线与轴线不相交时，把力向轴线平移，得到一个与轴线相交的力和一个力偶。再把与轴线相交的力沿轴线方向和垂直于轴线方向分解。v（2）根据杆件基本变形形式的受力特点判断构件的变形形式。v2、实例（1）例1:三角架：不计杆重销钉：重物拉力AB杆的支撑力（压力）AC杆的拉力AB杆：

11、二力杆（压杆）AC杆：二力杆（拉杆）例2:三角架：不计杆重销钉：重物拉力AB杆的拉力AC杆的支撑力（压力）AB杆：二力杆（拉杆）AC杆：二力杆（压杆）v（2）剪刀受力分析vF1、F3：手对剪刀的力vF2、F4：被剪物体对剪刀的反作用力vF5、F6：销钉对剪刀的力v销钉：受剪切力v力F5、F6：两剪刀对销钉的力，v两个力反向平行不共线（3）单杠（运动员静挂时，计构件自重）v杠体ABv自身重力向下v运动员的压力向下v主柱支撑力（压力）向上v立柱AC：压杆v重力向下v杠体压力向下v地面支撑力（压力）向上v拉杆：不受力，增加立柱的牢固性v（4）单杠结构的受力分析：运动员作回环动作，在杠体前方水平名称力

12、的名称 施力物体 作用点方向效果受力图运动员重力地球重心向下支撑力（压力）杠体人手向上向心力（拉力）杠体重心指向杠体 回转运动名称 力的名称施力物体作用点方向效果受力图杠体重力地球重心向下弯曲压力人手杠接触处向上弯曲离心力（拉力）人手杠接触处与向心力反向弯曲支撑力（压力）主柱立柱体接触点方向不定正交分解弯曲名称力的名称施力物体作用点方向效果受力图立柱重力地球重心向下压缩压力杠体立柱杠体接触点与对杠体支撑力反向弯曲压缩拉力拉杆拉杆立柱连接点沿拉轩轴线压弯支撑力地基地基处方向不定压弯力偶地基地基处与杠体压力产生的力矩反向弯曲名称力的名称 施力物体作用点方向效果受力图拉杆（二力杆）拉力立柱立柱压杆连

13、接处拉力拉伸拉力地面拉伸六、结构设计从技术层面应考虑的因素六、结构设计从技术层面应考虑的因素v1、强度：结构抵抗破坏的能力称为强度，（地质版25页定义错）这里“破坏”的含义与日常生活中的含义不完全一样。对于抗拉与抗压性能相同的材料，破坏是指在外力作用下，构件发生变形，外力去除后构件出现明显的不能恢复的变形，从而不能正常工作，即称构件破坏。对于抗压性能远大于抗拉性能的材料，断裂即破坏。v2、刚度：结构抵抗变形的能力称为刚度。v3、稳定性：结构在负载作用下维持其原有平衡状态，即受力后恢复原有平衡状态的能力。稳定不是指物体状态绝对不变，而是指有干扰时，状态允许改变（波动）；干扰消失后能返回原有的平衡

14、状态，否则称为不稳定。稳定与不稳定指的是原有的平衡状态，而不是受力后的状态。v补充知识v应力与压强的区别v（1）应力作用于构件内部截面，压强作用于物体表面。v（2）应力与截面可成任意角度，压强垂直于物体表面。v予应力：给构件加载到一定程度，再卸载，以提高材料的强度，构件在承载之前就已存在的应力。v危险截面：产生最大应力或最大变形的截面（地质版17页定义不准确，该定义是在同材料等截面梁时才成立）。七、影响结构稳定性的主要因素七、影响结构稳定性的主要因素v1、重心：重心越低稳定性越好v（1）降低结构高度v（2）增加底座重量v（3）减少底座上部质量，利用壳体结构，薄钢板材制造汽车车体。v2、支撑面v

15、（1）支撑面面积越大稳定性越好；底座大单脚支撑的自行车越倾斜越稳定。金字塔人造堤坝外形“A”字形而不是“”字形。v（2）支撑面形状：支撑面三角形稳定，照相机支撑架三角形，双脚支撑的自行车，电动自行车，摩托车的支撑。v（3）重心垂足位置：重心垂足在支撑面内稳定，人字梯的支撑。v重心垂足离支撑面边界最短距离越大越稳定。1010mm的正方形与5100mm的矩形底面，二者高度相同，前者稳定。v3、结构形状：三角形框架比四边形稳定。从几何角度：三角形三个边对应相等，三角形全等；四边形四条边对应相等，四边形不一定全等。从结构力学理论解释：三角形是几何不变体系，四边形是几何可变体系。v4、结构的长细比：长细

16、比越小越稳定。v5、结构的连接方式：结构构件的连接方式越牢固越稳定：刚性框架与柱子的刚性接头，板凳榫卯连接。八、影响结构强度的主要因素八、影响结构强度的主要因素v1、形状v（1）结构形状三角形结构强度高。如桁架桥上、下梁用桁架连接成三角形，简易组态试验。带子一侧剪口拉伸时易断。纸板受压实验，鸡蛋受压实验，吊篮支撑架三角形，支架结构等。v（2）构件形状空心优于实心，矩形竖放优于平放，矩形优于正方形。悬梁强度实验，矿泉水瓶横向凸起花纹均为提高强度。v2、材料v（1）容许应力：容许应力大，强度高。花展架柱用铁优于木材，钢筋混凝土梁加钢筋增加强度。v（2）按材料特性选择截面：v抗拉性能相同的采用圆形、

17、矩形、工字形v抗拉压性能不同的采用T字形。v3、构件的连接方式v（1）连接牢固，强度高v凳子榫卯联接、钢架桥焊接。v空调压缩机墙上固定方式v（2）增加连接点加中间支座v4、构件尺寸v（1）面积：纸绳拉伸。粗的强度高v（2）高度：板条弯曲试验。厚的强度高九、梁的强度九、梁的强度v结构中的构件多数发生弯曲变形，下面仅对弯曲变形构件梁的强度问题作一简单介绍v1、梁的基本形式（单跨梁）v（1）双支撑点梁。有两个支撑点的梁。如图（6-a）所示单双杠。v（）简支梁。两端分别是固定铰支座和可动铰支座的梁，如图（6-b）所示桥梁。图6v（）外伸梁。一端或两端都伸出支座的梁，如图（6-c）所示火车轮轴。v（2）

18、单支撑梁（悬臂梁）。一端为固定端，另一端为自由端的梁，如图（6-d）所示跳水板。图6v2、梁弯曲时的内力剪力和弯矩（一般忽略剪力作用）v3、梁的变形，中性层：当梁发生弯曲变形时，从凸边纤维伸长，到凹边纤维缩短，变化是连续的，因此其间必有一层纤维既不伸长也不缩短，这层纤维称为中性层（图7）。图7v梁的应力：正应力。正应力分布规律，沿截面高度，正应力按线性规律变化（图8）。沿截面宽度正应力相同。中性层上各点正应力为零。离中性层最远的点正应力最大。图84、影响弯曲强度及变形的主要因素（1）横截面A、形状：面积相同时，空心截面优于实心截面。B、尺寸：梁的应力与高度时平方成反比，与宽度成反比。梁的变形与

19、高度立方成反比，与宽度成反比。因此把材料加在高度上更合理（图9）。图9v（2）梁的跨度，长度：在相同荷载作用下，梁越长，梁的变形越大。强度越低。（图10）v（3）荷载的位置：荷载越靠近梁的中央，变形量就越大，强度越低。（图11）（4）梁的材料梁抗变形能力和材料有关。木材和钢材，都能够抵抗压力和拉力，适合做梁。混凝土和石材，较能抵抗压力，却无法抗拉力。因此，要在混凝土梁上加钢筋，以避免产生裂变，它们通常被安排在拉力一侧。（图12）v梁的变形和材料的弹性系数成反比。铝的弹性系数是钢的弹性系数的1/3。（图13）十、压杆的稳定性十、压杆的稳定性除结构的稳定性外，还必须考虑结构中受压细长杆件的稳定性。

20、下面，对这类构件的稳定性作一介绍。v工程结构和机械结构中有很多受压杆件，如图14-a所示桥梁的立柱，如图14-b所示起重机或装载机中的液压挺杆，如图14-c所示的螺旋千斤顶的螺杆等。当压力超过某一限度时，其直线平衡形式将不能保持，从而使杆件丧失正常工作能力。称为稳定失效。图14压杆失稳与强度和刚度失效有着本质的区别，前者失效时的载荷远低于后者，而且往往是突发性的，因而常常造成灾难性后果。历史上曾有过多次由于压杆失稳造成灾难事故。19世纪末，当一辆客车通过瑞士的一座铁路桥时，桥桁架压杆失稳，致使桥发生灾难性坍塌，大约200人遇难。类似事故在一些国家也曾发生过。虽然科学家和工程师们早就面对着这类灾

21、难，进行了大量的研究，采取了很多有效的防范措施，但直到现在还不能完全终止这种灾难的发生。1983年10月4日，地处北京某科研楼建筑工地的钢脚手架在距地面五六米处突然外弓，刹那间，这座高达54.2m、长17.25m、总重565.4kN的大型脚手架轰然坍塌。造成5人死亡，七人受伤；脚手架所用材料大部分报废，经济损失4.6万元；工期推迟一个月。现场调查结果表明，钢脚手架结构本身存在严重缺陷，致使结构失稳坍塌，是这次灾难性事故的直接原因。脚手架由里、外层竖杆和横杆绑结而成。v调查中发现支搭技术上存在以下问题：v钢管脚手架是在未经清理和夯实的地面上搭起的。这样在自重和外载荷作用下必然使某些竖杆受力大，另

22、外一些受力小。v脚手架未设“扫地黄杆”，各大横杆之间的距离太大，最大达2.2m，比规定值大0.5m。两横杆之间的竖杆，相当于两端铰支的压杆，横杆之间的距离越大，竖杆的临界载荷便越小。v高层脚手架在每一层均应设有与建筑物墙体相连的牢固联接点，而这座脚手架竟有八层无与墙体的联接点。v这类脚手架的稳定安全系数规定为3.0，而这座脚手架的稳定安全系数里层杆为1.75，外层杆为1.11。这些便是导致脚手架失稳坍塌的必然因素。v需要指出的是，对于单个细长压杆，虽然发生弹性失稳后仍能继续承载，但对于结构，由于其中的一根或几根压杆发生了失稳，将可能导致整个结构发生坍塌。因此，对于这种危害性必须给予重视。减小压

23、杆的长细比，增加约束的牢固性等可有效提高压杆的稳定性。v除压杆会有失稳问题外，其它形式的构件也存在可能的情况。例如，蒸汽锅炉、圆柱形薄壁容器，在内压作用下，壁内应力为拉应力，这是一个强度问题。但是，圆柱形薄壳在均匀外压作用下，壁内应力变为压应力（图15-a），则当外压达到临界压力时，薄壳的圆形平衡就变为不稳定，一旦受到扰动后，会突然变成由双点划线所示的长圆形。图15-b为薄壁梁弯曲时因翼缘受压部分丧失稳定而整个梁扭转（这种现象称为侧弯失稳）；图15-c薄壁管受扭也会失稳。v弧形薄壁拱（图15-a）失稳后变成（图15-b）中虚线所示的形状。因此构件的臂不宜做得太薄。图15Company Logo谢谢！谢谢！