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(共70张PPT)
结构及其设计
Structure&Design
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1、初识结构
什么是结构
“构”是物体的构成形式。比如：手臂是由上臂、下臂、手三个部分构成的。上臂的里面是肱骨，下臂中间是尺骨和桡骨两根骨头组成。手就复杂了，是由八块腕骨、许多掌骨和指骨组成。它们之间由韧带、筋腱和肌肉相连接，外边又被皮层包裹，形成了内、中、外-一骨骼、肌肉、表皮三者的构成关系
01
“结”是几种构成物是如何结合在一起并构成一个整体的。“结构”就是几种构成的物体彼此结合在一起的统一体。它通过可视的外部形象反映出来。因此，我们所画的一切物象，都是内外相结合，彼此相构成，具有可视性的“结构形”的统一体。
02
“结构”既包括结构关系，又包括所看到的形体变化。需要理解的部分不一定能看到，看到的部分还必须多方面的理解它，二者不可分。故解剖知识只能帮助我们去理解结构，不能代替结构所包含的一切内容
03
什么是结构？
结构是指物体的各组成部分之间的搭配和排列。
结构的各个组成部分称为构件。
简单的说，结构是为了承受力和抵抗变形，这便是结构的本质。
1、初识结构
1、初识结构
为什么要研究结构？
在自然界，相同的物质，不同的结构，表现出不同特性的现象处处可见。
A、 同样是水， 有液态、 气态、 固态；
B、 同样的六个字“这个人表现好” “这个人好表现” ，但因排列不同， 就形成了一褒一贬；
结构决定着事物的性质， 也直接影响事物的功能。
1、初识结构
各种各样的结构——自然界
各种各样的结构——技术领域
1、初识结构
各种各样的结构——技术领域
1、初识结构
1、初识结构
在社会领域, 也普遍存在着结构现象。 一篇文章的内容结构影响文章的表达与质量, 一家企业、 社区、公司的人员、 国家的结构关乎企业的运行与效率。
各种各样的结构——社会领域
苍耳子
据说瑞士发明家乔治喜欢带着狗外出散步，有一次散步回家，发现自己裤腿上和狗身上都粘满了一种草籽。草籽粘在狗毛上很牢，要花一定功夫才能把草籽拉下来。乔治感到很奇怪，他运用了敏锐的观察力，用放大镜仔细观察这种草籽。终于发现，草籽的纤维与狗毛是交叉在一起的，他想，如果采用这两种形状的结构不就可以发明一个搭扣吗？从此，人们的生活中多了一个好帮手——乔治发明的尼龙搭扣。今天，我们穿的鞋有的就是用尼龙搭扣扣上的，背的书包有的也是用尼龙搭扣扣上的。
尼龙搭扣
1、初识结构
据说鲁班不小心被锯齿状的叶子划伤了手，根据叶子的结构发明了锯子。
1、初识结构
石墨、金刚石和石墨烯虽然都是由碳原子组成的，但是它们的性能却大相径庭，金刚石坚硬无比，而石墨却质地柔软，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性。
石墨
金刚石
石墨烯
1、初识结构
思考：下面两种砖头堆法哪一种会垒的更高？并谈谈其缘由。
1、初识结构
思考：1、三张凳子由哪些构件组成？
2、它们的结构有什么区别？
3、它们的稳定性和牢固程度？
1、初识结构
a、b、c三张凳子的结构分别由凳面、凳脚、牚三个部分组成，结构中的这些组成部分我们称为构件，而这些构件之间的不同搭配和排列就得到了a、b、c三种不同结构。
a凳两腿之间多了两个短牚，c凳在a凳的基础上在两短牚上多了一根长牚。
牢固程度：c ＞a ＞b 牚起到合理分散力的作用。
1、初识结构
组成结构的构件的基本受力形式
拉力
压力
剪切力
弯曲力
扭转力
1、初识结构
拉力：物体所承受的拉拽力。
压力：挤压物体的力。
剪切力：两个距离很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物体上的平行的力
1、认识结构
弯曲力：作用于物体，使它产生弯曲的力
扭转力：反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。
结构的分类
根据物体结构形态在受力时承受和传递力的方式差别：
实体结构
框架结构
壳形结构
结构
1、初识结构
实体结构
通常是指结构体本身是实心的结构。如墙壁、柱子、实心球等等。
1、初识结构
实体结构
锤子
砧板
1、初识结构
思考：实体结构的受力特点如何？
实体结构是利用自身来承受荷载，主要承受压力。
框架结构
通常是指结构体本身由细长的构件组成，支撑空间却不充满空间。如窗户、画框、房子的架构等等。
1、初识结构
1、初识结构
框架结构的特点和受力如何？
框架结构通常由杆件组成（可以是实心的，也可以用管材）
自身质量较小，能承受各种载荷，依据功能和使用条件的不同，可以设置成不同框架的组合。
1、初识结构
壳形结构
壳形结构通常是指由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。
如贝壳、头盔、汽车飞机的外壳等等。
1、初识结构
壳形结构的受力特点如何？
壳形结构由于存在原始曲度，具有很好的空间传力性能，特别是当顶部受到压力时，它能将力均匀扩散。壳体结构是一种强度高、省材料的结构形式，广泛应用于工程结构中。
1、初识结构
在生产和生活实际中，很多物体的结构是由两种或两种以上的基本结构类型组合而成的。
广播电视塔，他的塔腿由石砌礅座组成，塔身由钢铁部件的框架组成，主体空间由球形壳体结构保障。
1、初识结构
2、典型结构分析
的起源可追溯到人类的祖先原始人在丛林中进行的各种攀登、爬越、摆动、摆荡等练习。在当时那只是一种生活实用技能，后来随着社会的进化就逐步成为一种锻炼身体的手段。单杠运动好处多多，可以锻炼腰背部肌肉：吊单杠是生活中比较常见的一种健身方法，能够在一定程度上提高身体素质。如果平时经常吊单杠，有利于锻炼腰背部的肌肉，从而提高机体的整体代谢能力。拉伸脊柱：吊单杠可以拉伸脊柱，有利于保持脊柱的稳定性，若长期坚持吊单杠，还可有效减轻椎间盘的压力，降低发生腰椎间盘突出症的几率。减肥：适当吊单杠还可以消耗身体的脂肪，若长期坚持，同时配合健康的饮食，具有减肥的好处。
单杠运动
1、单杠结构分析
杠体
立
柱
拉杆
思考：1、单杠有哪些构件组成？
2、为什么如此设计？
2、典型结构分析
运动员在杠体上做各种动作，如大回环等，通过握杠体的手，对杠体施加了外力
包括人体质量、回转运动产生的离心力
①杠体的受力与形变
2、典型结构分析
单摆实验
球
球
球
球
F
球
小球对固定点的作用力，其方向，从固定点指向小球球心所处的瞬间位置。
2、典型结构分析
任意时刻，人对杠体的作用力，其方向，都是从杠体指向人重心所处的瞬间位置。
2、典型结构分析
杠体结构分析：
运动员对杠体施加了外力，使得杠体发生弯曲变形
这种外力称为弯曲力
杠体弯曲变形的方向与杠体受外力的方向一致（杠体总是朝人体重心所在位置的方向发生弯曲）
2、典型结构分析
2、结构是怎样受力的
单杠的立柱，是总荷载的主支撑点，杠体和立柱的上端相连，人的作用力通过杠体作用于立柱，立柱产生压缩变形和弯曲变形的趋势。
②立柱的受力与形变
立柱结构分析：
人的作用力通过杠体作用于立柱，立柱产生压缩变形和弯曲变形的趋势。
立柱受到的外力有压力和弯曲力
立柱弯曲变形的方向与杠体受外力的方向一致，即立柱总是朝人体重心所在位置的方向发生弯曲。
2、典型结构分析
思考：杠体和立柱的上端相连，人的作用力通过杠体作用于立柱，立柱产生弯曲变形趋势，如果要向后发生弯曲，请问同学们，有什么方法可以削弱或抵消这种弯曲呢？
2、典型结构分析
立柱埋深一点
使用强度更高的材料
用一个力从反方向拉
拉杆：辅助立柱抵抗弯曲变形趋势
③拉杆的受力与变形
2、典型结构分析
当人体静挂在杠体上时：
杠体受弯曲力，两根立柱只承受压力，拉杆不受力。
当人体回转到单杠的一侧时：
杠体受弯曲力，经过杠体传到立柱上端的外力使立柱产生弯曲变形趋势，受弯曲力。同时拉杆将起到辅助立柱抵抗变形作用，受拉力，主要变形为拉伸变形。
单杠的受力与变形总结：
2、典型结构分析
1、草帘
2、塑料棚膜
3、后屋面
4、拱架（梁）
5、立柱
6、后墙
2、棚室屋架结构受力分析
7、通道
8、防寒沟
9、防渗膜固定槽
10、防渗膜
11、混凝土墙
2、典型结构分析
①对于梁（拱架）来说：
恒载：塑料棚膜、后屋面、梁（拱架）的自重
活载：雪载、风载等
2、典型结构分析
梁的受力
1、梁的上半部分受什么力？
2、梁的下半部分受什么力？
3、什么办法可以防止梁过分弯曲？
1、加支撑
2、在上面施加拉力
3、减少梁的长度
4、增加厚度
5、更换材料
2、典型结构分析
思考：
梁通常在混泥土底部增加加固钢筋，
混泥土擅长抗压力，
钢筋擅长抗拉力，
他们共同形成了非常牢固的结构
2、典型结构分析
②对于墙（和立柱）来说：
恒载：梁（拱架）的质量、屋面（草帘、塑料棚膜）
活载：雪载、风载等
2、典型结构分析
拱结构：即中间高四周低呈弧形的曲面。
试验：纸桥
荷载压力作用于拱上，圆拱再把力传到其四周的支撑上。
拱的受力面积大，例如雪荷载
拱结构对承受荷载有利
③构件——拱的受力
2、典型结构分析
用一张纸做桥梁,如何只用一张纸让你设计的桥梁能承受最大的重量？
思考：1、哪种情况下纸板的抗压能力最强？
2、典型结构分析
2、典型结构分析
2、典型结构分析
3、钢箱梁又叫钢板箱形梁，因外型像一个箱子故叫做钢箱梁。常用于公路、铁路、跨海大桥等跨度较大的桥梁上，因为它中空的结构，具有质量小、节省钢材、抗弯和抗扭、安装迅速、外形简洁美观等特点。
2、典型结构分析
3、结构的强度与稳定性
技术试验的总要求：
(1）试验前，要提前做好准备，包括：器材准备、试验场地准备及参试人员分组准备等。
(2）试验分组进行，组内人员分工明确。各组可以做同一项目，也可以做不同项目。
(3）认真做好交流、讨论。
(4）认真写好试验报告（写报告的要求见后面）。
(5）切实做好安全防范。
3、结构的强度与稳定性
试验报告的内容与要求：
试验报告是对技术试验过程的书面陈述，是对技术试验结果的总结和评价。做好试验的本身是学习与研究，写好报告则是进一步的学习与研究。
试验报告的基本内容
试验项目或题目；试验的内容（可以是一项，也可以是多项）；试验的步骤与记录整理；试验的讨论与结论；试验的参与人、试验的时间、报告人。
试验报告的基本要求
认真观察、及时记录（记录包括试验的条件、观察到的现象、观测到的数据）;重在写好结论与讨论。
注：结论要客观，而讨论要强调个性。对试验的某一过程、某一现象、某一数据直到某一结果，要勇于发表自己的见解与认识，哪怕是与他人不相同的观点。这是培养交流能力的重要方面。
3、结构的强度与稳定性
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。
F
F
N
N
应力：作用在单位面积上的内力。
σ（sigma ）= 单位 N/mm2或 N/cm2
N
S
物体结构承受外力时抵抗破坏的能力，以强度来表示。通常用应力来衡量强度。
3、结构的强度与稳定性
思考：同样粗的铁棍要比木棍结实。请用技术语言来表达？
容许应力：物体、材料所容许承受的最大应力。
3、结构的强度与稳定性
影响结构强度的因素：
结构的强度，一般取决于它对张力和压力两方面的反应能力，具体表现为以下因素：
形状 构成的形状略有改变，强度就会改变
材料 不同的材料有承受不同应力极限的能力。形状相同，材料不同，强度就不同。
材料的连接方式 不同的连接方式，受力传递方式和效果不一样。
这些因素是相互关联的，选择结构和材料的时候需要综合考虑。
3、结构的强度与稳定性
3、结构的强度与稳定性
稳定指的不是状态绝对不变，而是指受扰后，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，即为稳当；不能回到原有平衡状态，为不稳定。
如果结构具有阻碍不平衡状态的特性，则称为稳定结构。
3、结构的强度与稳定性
比萨斜塔为什么不倒塌？
想一想：
3、结构的强度与稳定性
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。
小资料：中国的斜塔
3、结构的强度与稳定性
苏州虎丘斜塔，塔高47米，八角七层，青砖造就，此塔建于五代后周显德六年（959年），落成于北宋建隆二年（961年），已有一千多年历史。这座江南最古老的大型砖塔在建造时地基就有局部沉降，以后历次修葺，并没有控制住塔身倾斜。1976年，该塔出现危险情况，塔墩裂开，墩砖压碎，当时有关部门立即采取临时排险措施。1981年，又进行了第二次加固修缮。使这座古塔控制了倾斜。经测定，塔身的倾斜度和沉降都处于稳定状态，塔顶中心偏离塔底中心2．32米，塔身倾斜度为2．47度，被国外建筑学家称为“中国的比萨斜塔”。
小资料：中国的斜塔
3、结构的强度与稳定性
哪个形状更稳定？
3、结构的强度与稳定性
3、结构的强度与稳定性
3、结构的强度与稳定性
3、结构的强度与稳定性
练习：以如下方式放置的并注入不同数量的水，稳定性好的是哪个？最差的是哪个？
3、结构的强度与稳定性
总结：影响结构稳定性的因素有：
重心位置
支撑面积
几何形状。
稳定指的不是状态绝对不变。
结构稳定的状态有静态、动态。
3、结构的强度与稳定性
思考：如何增加结构的稳定性？
2.增大结构的支撑面面积。
3.降低结构的整体重心位置。
4.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小几何尺寸之比。
1.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。
3、结构的强度与稳定性
“比萨”在希腊语中是“沼泽之地”的意思。斜塔之所以会倾斜，全是因为它所处位置的土壤比较特殊。这块土地的土壤不仅软，还有许多不明物质的存在，导致这些泥土就像被水稀释过的一样，想要聚集在一起很困难。而且，在不明物质中又有一些黏性较强的成份，就像万能胶水一样，把这些稀释的泥土混合在一起形成胶质状土壤。用这样特殊的土壤打造牢固的地基更是难上加难。当时人们并不知道泥土是这样的情况，因为在它的上方还有一层普通泥土，成功地迷惑了人们。
3、结构的强度与稳定性
3、结构的强度与稳定性
1987年，比萨斜塔被列为世界文化遗产。
1990年左右，比萨斜塔的倾斜情况让人堪忧，因此停止向游客开放。并且将塔体倾斜方向上的房子都腾空。
1992年，成立比萨斜塔拯救委员会，向全球征集解决方案。方案的要求有点牵强：既要保持塔身倾斜，保持其特色，又不能让塔身继续倾斜以至于倒塌。
3、结构的强度与稳定性
▲方案一：1992年，由 John Burland 领导的小组提供了一个解决方案，就是在塔体倾斜的反方向放置 600 吨铅块。不过比萨市民认为，这个只是临时之举，并不能解决问题。
自从比萨斜塔关闭以来，当地旅游业的收入减少了 45%，被激怒的市民不满意这些灰色的铅块，严重影响比萨斜塔所在的奇迹广场的形象。群众的呼声不得不听。为了撤掉丑陋的铅块，工程师后续计划用 10 根锚杆来替换铅块。然而在 1995 年 9 月，由于插入锚杆的过程出现失误，比萨斜塔在那几天持续倾斜了 5.5 厘米，相当于过于一年的量，同时塔内也出现了开裂。
眼看就要倒了，工程师只能在之前 600 吨铅块的基础上再增加 300 吨。这样斜塔继续关闭，并且禁止游客在近距离观察。
3、结构的强度与稳定性
▲方案二：终于有个有效靠谱的方案了
斜塔还是要修的，不过方法更加谨慎了。当时的工程师提出，把斜塔倾斜反方向也就是北部的土移走一些，这可以在不直接接触塔体，同时让它自行回正。
这个方案在 1999 年开始实施，1999-2001 年期间，大约 77 吨被挖走。比萨斜塔也回正了 44厘米，回到了 1838 年前的倾斜度。
当时施工的团队表示，斜塔需要 300 年才会回到预定的位置。2001 年，比萨斜塔重新向公众开放，在此前的 11 年里，修缮的费用高达3960 万美元。2003年，工程师还在斜塔北部修了水渠。因为他们发现，北侧下方淤泥层的水位，在雨季时会产生波动，这也会影响比萨斜塔的倾斜度和稳定性。
3、结构的强度与稳定性
思考：巧妙的应用结构的不稳定性
5、典型结构欣赏和结构设计评价

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