结构与设计专题知识讲座xg.ppt

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1、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,一、载荷简介 二、常见约束类型及其约束力 三、杆件变形的基本形式 四、三类结构的形态及受力特点 五、结构（物体）的受力分析 六、结构设计从技术层面应考虑的因素 七、影响结构稳定性的主要因素 八、影响结构强度的主要因素 九、梁的强度 十、压杆的稳定性,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加变形或约束的原因，如地震、温度变化、地基变形、材料的收

2、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。,（1）按荷载随时间的变异分类 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。 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。 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。,（2）按荷载的分布形式分类 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。 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。 面荷载：施加在结构或构件某一面积上的力。如压力。 体荷载：施加

3、在结构或构件某一体积上的力。如重力。,（3）按荷载随位置的变异分类 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。 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。,（4）按荷载对结构的运动状态变异分类 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。 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。,（5）按荷载对结构产生的运动形式分类 力：对物体有移动和转动两种作用的荷载。 力偶：对物体只有转动作用的荷载。,力偶与力偶矩 汽车司机用双手转动方向

4、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1,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1,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MFdFd 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。,力学基本要素的一元论和二元论简介 一元论：力偶对物体的转动效应，也属于力对物体产生的效应范畴之内。因此，力偶只

5、是两个力构成的一种特殊力系。 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。,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）。 力偶矩的单位与力矩的单位相同，即Nm或kNm。,图1,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,约束与约束力 1、约束：我们把对物体运动起限制作用的周围物体称为该

6、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。 2、约束力：约束施加在所研究物体上的力称为约束力。,1、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。 2、光滑面约束：不考虑摩擦的接触面约束称为光滑面约束。 3、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。,圆柱铰链约束的常见形式有： （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），这种约束称为固定铰链支座，其简图如图3b。,（2）活动铰链支座约束

7、：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。,4、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。,5、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,结构的本质是为了承受力和抵抗变形，因此，有必要了解杆件变形的基本形式及其受力特点。,四、三类（按几何尺寸分）结构的形态及受力特点,五、结构（物

8、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、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。,2、变形分析 （1）分解或平移： 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。 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

9、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。 （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。,2、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：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）,（2）剪刀受力分析 F1、F3：手对剪刀的力 F2、F4：被剪物体对剪刀的反作用力 F5、F6：销钉对剪刀的力,销钉：受剪切力 力F5、F6 ：两剪刀对销钉的力， 两个力反向平行不共线,（3）单杠（运动员静挂时，计构

10、件自重）,杠体AB 自身重力 向下 运动员的压力 向下 主柱支撑力（压力）向上 立柱AC：压杆 重力 向下 杠体压力 向下 地面支撑力（压力）向上 拉杆：不受力，增加立柱的牢固性,（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,六、结构设计从技术层面应考虑的因素,1、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。,2、刚度：结构抵抗变形的能力称

11、为刚度。 3、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。,补充知识 应力与压强的区别 （1）应力作用于构件内部截面，压强作用于物体表面。 （2）应力与截面可成任意角度，压强垂直于物体表面。 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。 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

12、定性的主要因素,1、重心：重心越低稳定性越好 （1）降低结构高度 （2）增加底座重量 （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。,2、支撑面 （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。 （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。,A,（3）重心垂足位置：重心垂足在支撑面内稳定，人字梯的支撑。 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。,3、结构形状：三角形框架比四边形稳定。从几何

13、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。 4、结构的长细比：长细比越小越稳定。 5、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,1、形状 （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。 （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。,2

14、、材料 （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。 （2）按材料特性选择截面： 抗拉性能相同的采用圆形、矩形、工字形 抗拉压性能不同的采用T字形。,3、构件的连接方式 （1）连接牢固，强度高 凳子榫卯联接、钢架桥焊接。 空调压缩机墙上固定方式 （2）增加连接点 加中间支座 4、构件尺寸 （1）面积：纸绳拉伸。粗的强度高 （2）高度：板条弯曲试验。厚的强度高,九、梁的强度,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,1、梁的基本形式（单跨梁） （1）双支撑点梁。有两个支撑点的梁。如图（6-a）所示单双杠。 （）简支梁。两

15、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6,（）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。 （2）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6,2、梁弯曲时的内力剪力和弯矩（一般忽略剪力作用） 3、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7,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8,

16、4、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9,（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） （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）,梁的

17、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,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。下面，对这类构件的稳定性作一介绍。,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，

18、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

19、由里、外层竖杆和横杆绑结而成。,调查中发现支搭技术上存在以下问题： 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，另外一些受力小。 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。 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。 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。,需要指出的是，对于单

20、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。,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。 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15,谢谢！,