1、第三节结构的强度与稳定性教材p20-p32问题思考 衣帽架要能悬挂宿舍全体同学的衣物，一定要结实，如果是立式衣帽架还要保证悬挂衣物后稳定不倒，怎样设计才能使衣帽架既结实又稳定呢?一、结构技术试验及其过程评价(一)问题的提出:怎样理解“结实”和“稳”我们或许亲自经历过或听到过类似下面的谈话:“你的文具盒比我的结实。”“我的椅子坏了一条腿，没有原先稳当了。”请注意这里强调的是两个词语，即“结实”和“稳”(也叫“稳定”)。结实或不结实，稳定或不稳定，都是对某物体结构的某方面性能的一种形容、一种描述、一种评价。(二）尝试结构技术试验技术试验是一项既要动脑又要动手的活动，是学习通用技术课程的重要环节与手
2、段。为了方便试验的进行，本次结构技术试验将分为3个较小的项目。每个项目各有明确的预期目的，内容相对独立。技术试验的总体要求:(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)认真傲好交流、讨论。(4)认真写好试验报告（报告的要求见后面)。(5)切实做好安全防范。技术探究 试验1简易拉伸试验 试验项目:纸绳拉伸试验。试验内容:抗拉伸研究。试验器材:自制纸绳多根，砝码1套（或弹簧秤1个)纸绳的参考做法:把旧报纸裁成等宽的长纸条多条将每个纸条卷咸细长小纸卷，卷紧;用股水把露在外面的纸边粘住，
3、做成直径相同的纸绳。试验步骤:(1)将纸绳一端固定悬挂，另一端用于加砝码（或将弹簧秤的一端固定，另一端留作固定纸绳用)。(2)加砝码(或取一根纸绳，一端绑定于秤上，另一端用手拉)，观察并记录纸绳变形与受力的情况，直到将纸绳拉断。(3)取两根纸绳并放到一起,重复步骤(2)。(4)逐渐增加纸绳数量，重复步骤（2)，直到无法拉断多股的纸绳为止。(5)如有时间，可制成另一种直径的纸绳，重复步骤（2)(4)。(6)整理试验记录，小组讨论，提出此次试验的几点结论性看法。(7)撰写试验报告。附:试验记录表格参考格式(表1-2)。试验2简易弯曲试验 试验项目:板条弯曲试验。试验内容:抗弯曲研究。试验器材:宽木
4、板条1条，参考尺寸为200 mm80 mm 3 mm;窄木板条3条，参考尺寸为200 mmx 15 mmx 3 mm;小木块2块快千股水;小铁钉若千。试验步骤:(1)取宽木板条,将其两端用小木决支撑起来,在木板条的中央向下施加压力，观察并体验木板条变形的情况。(2)取一条窄木板条，用胶水和小铁钉将其紧固于宽木板条的中央（图1-42)。重复步骤（1)(3)逐渐叠加窄木板条,重复步骤（2)。(4)整理试验记录(可参照表1-2，自行设计记录表)，讨论，得出结论。(5）撰写试验报告。注意:操作时要注意安全。试验3简易组态试验 试验项目:杆件框架组态试验。试验内容:框架结构稳定性研究。试验器材:相同材质
5、的杆件5根，每根杆件的两端备有可穿过螺栓的孔;螺栓、螺母4副。试验步骤:(1)取3根杆件,用螺栓将它们连接成一个三角形框架,再用螺母固紧,如图1-43(a）所示。在任一结点上施加外作用力F，观察并体验框架的受力与变形情况。(2)拆除三角形框架，重取4根杆件，组成一个四边形框架，如图1-44所示。在四边形框架的某一结点上施加外作用力F，观察并体验框架的受力与变形情况。(3）在四边形框架的基础上，另取一根杆件加入，改组成有一条公共边的双三角形框架,如图1-43(b)）所示。在双三角形框架的某一结点上施加外作用力F，观察并体验框架的受力与变形情况。(4)整理试验记录(同样参照表1-2自行设计记录表)
6、，撰写试验报告，进行交流。阅读材料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表达，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。1.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。2.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。注意:结论要客观，而讨论要强调自主性。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
7、交流能力的重要方面。(三）技术试验过程的评价技术试验评价的任务是对试验数据和资料进行整理和分析，根据不同的要求和标准，对被试验的对象进行综合评价。试验评价的方法很多，其中最重要的就是试验数据处理、分析方法和综合评价方法。试验数据处理和分析方法，是对大量的观测数据进行整理，从而获得试验因素、条件与性能指标间的规律性认识。为达到此目的，需要运用专门的处理和分析试验数据的数学方法。常用的方法有极差分析法、图解法、回归分析法、方差分析法等，应用这些数学方法对试验数据进行分析和计算,得到试验结果。综合评价方法是在试验数据整理分析的基础上，综合社会、经济和人的因素来分析考查的方法。具体实施有多种不同的形式
8、，最基本的是检查表法，即将试验所获得的数据与以往试验所获得的相应数据和该次试验设计的技术数据列表对应检查，做出优劣评价。前面的三项试验，前两项为破坏性试验，分别研究结构的抗拉伸与抗弯曲性能，最后项研究框架结构的受力变形性能。如何评价这些技术试验过程，可参照表1-3进行。试验2、试验3的过程评价，可参照表1-3进行。技术学科课程的学习，提倡并践行实践学习的方式。经过上面的技术试验及其过程评价的实践学习，一定会获得很多体验与感悟!请将它们补写到试验报告中，以利于本课程后续内容的深入学习。二、应力与强度(一)技术试验后的回顾与思考前几项技术试验，让我们都思考了哪些问题?首先，施加外力于构件，到构件产
9、生变形，它们之间不是一个简单的因果关系，应考虑到构件的结构形状、构件的几何尺寸和构件的材料等影响因素。其次，对于结构变形，只用“结实”或“不结实”来评说是含糊的、不确切的。对于结构的受力与变形以及有关影响因素，应该有更科学的插述。问题思考 在试验1简易拉伸试验中,材质相同、拉力相同,杆件（实例中是绳子)的内力是相同的，但是细的被拉断了，粗的没被拉断。这说明，仅用外力或内力无法说清楚构件“结实”或“不结实”。怎样利用应力的概念来说清“结实”与“不结实”的问题呢?(二)应力、强度构件在外力作用下发生变形的同时，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(图1-45)。内力，是用来抵抗外
10、力与变形，并力图使变形部分复原的力。作用在单位面积上的内力，称为应力。对于图1-45的受力构件来说，应力可用下式表示式中，FN、为内力;S为构件截面积。应力的计量单位为N/m2，工程中称为Pa。通常,物体结构抵抗破坏的能力,用强度来表述;而用应力来衡量强度,既科学又确切。如在试验1简易拉伸试验中,粗绳与细绳相比,前者受力面积大,即承受的应力小。应力小，变形也就小，也就是抗变形能力大。换句话说，粗绳抗拉(力）强度大。技术探究物体的形状与强度 器材:一条布带子（如旧书包背带)。做法:(1)在布带子两端施加拉力，感受并观察其抗变形的情况。(2）在带子一侧剪出一个缺口，重复做法（1)。(3）用剪刀将带
11、子的缺口加大，重复做法（1)，直至带子被破坏。(4)讨论:用应力概念解释试验现象及结果。三、影响结构强度的因素材料1图1-46所示是一种木制花展架的一段。花展架的上、下板之间也是用木料加工制成的杆状支柱。这种外形多变的杆状支柱有赏心悦目的效果。回答问题(1)图1-46中的杆状支柱,最薄弱的地方在哪里?为什么?(2）如果置于上板面的荷载超过杆状支柱的承受能力，杆状支柱会发生什么样的变形?(3）如果在杆状支柱的垂直方向上施加较大外冲击力F，杆状支柱的哪个地方易产生变形甚至断裂?图1-46花展架示意图材料2将图1-46中的木质杆件换成形状相同、尺寸相同的铁制品，花展架将能承受更大的荷载。回答问题(4
12、）相同形状、相同尺寸的花展架，为什么铁质的比木质的更能承载?(5)改用铁质的会带来什么新的问题?材料3桥粱属于建筑的一大门类。最简单最原始的桥梁要数独木桥了。赵州桥是闻名遐迩的世界经典之作。现在许许多多的现代化大桥屹立于长江等内河之上。回答问题(6）你能说出几种桥梁的形式吗?(7)珩架桥的结构有什么特点?(8）你还见过其他形式的楮架桥结构吗?(9）杞架桥靠什么提高桥的强度?阅读材料 图1-47是一座析架桥的结构示意图。图中，上梁和下梁之间采用析架连接。析架桥的设计，就是把梁上的压力和张力都传到析架上，从而增加了梁抗弯曲的能力。桁架桥适用于建造跨度较大、荷载较大的桥梁。影响结构强度的因素通过结构
13、典型案例分析和试验1简易拉伸试验与试验2简易弯曲试验，可以总结出: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。具体地说取决于以下因素:(1）形状。构成的形状略有改变，强度就会改变。(2）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。(3）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。正确认识这些因素,对于我们正确选择结构和材料是很重要的。阅读材料连接方式多种多样 任何一种结构，连接都是其中极为重要的部分。比如，人体由于拥有关节等骨与骨的连接，人在生活、学习和工作中，才得以实现灵活、协调、自由的运动。技术与设计1第五章中，曾就产品装配后的时效性与
14、可动性简单介绍了3种连接方式。实际上，连接方式多种多样。从实现连接的形态来看，力学结构常见的连接方式如表1-4所示。从被连接件间的状态关系来看，力学结构的连接方式归纳如表1-5所示。连接，还可以分为点连接、线连接、面连接等。你对自己周围的一些结构连接方式怎么看?把它们作为实例,填入上面两表格的后面。力学结构中有连接,其他类的结构中也有连接。比如,计算机工作程序结构中，主程序与子程序间、子程序与子程序间也需要有连接。讨论交流 与同学交流并试着填写表1一6。四、结构稳定性(一）结构稳定/不稳定的几种情况(1）不倒翁是一种常见结构。不论从什么方向去推它，它的身体虽发生一时性倾斜，但摇晃几下终能恢复原
15、态。如果将不倒翁倒立，那么倒立的不倒翁一定会很容易翻倒而仍能恢复至原态。(2）常见的椅、凳均用4条腿来支撑。如果将其4条腿往中间聚拢，或去掉其中一条腿而由另3条腿支撑,则必易倾倒而不易维持原态。(3)金字塔、宝塔、江河堤坝等从横截面看都具有上小下大的特点,整体外形近于“A”字形。它们经得起长时间考验而屹立。如果将其倒过来，即变成“V”形结构，则无法做到常立不损。问题思考 江河堤坝的横截面都是上窄下宽的梯形形状。想一想，为什么将堤坝建成这样的结构呢?(二）结构稳定的概念如果结构能传递（或承受)任意形式的荷载，则称为稳定结构，此时它的任何组成部分既不会成为一个可变机构，整体也不会产生刚体位移。稳定
16、性和强度一样，都是物体结构的重要性质。比如，某棚室结构建成后，其虽能承载,强度满足要求,但在受干扰作用后会发生倾斜移动,则表明该结构稳定性不能满足要求。又如，若单杠的立柱埋入地下部分不牢固，致使对杠体支撑不稳，使用时会摇晃甚至翻倒，则其稳定性达不到要求。五、影响结构稳定性的因素及应用(一）影响因素结构需要稳定。那么,究竟有哪些因素会影响物体结构的稳定性呢?归纳前面的分析，可以得出影响结构稳定性的因素主要有以下几方面。1.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
17、置得很低，在它的纵向长度的一半以下。如图1-5所示的台灯，由于其底座的质量设置得相当大，使其整体结构的重心很低，因而其稳定性好。2.结构的支撑面积支撑面积大的结构,稳定性好。如椅、凳的4条腿所围成的支撑面积(长方形)大,稳定性好。变为3条腿后,其支撑面积（三角形)随之减小，则板凳的稳定性也随之变差。又如图1-48所示，图(a）表示结构的底部由三点围成的三角形面支撑，而图(b)表示结构的底部由同样距离的三点所在的圆形成的圆形面支撑，图(a）支撑面的面积明显小于图(b)支撑面的面积，所以图(b)的面支撑的结构稳定性相对较好。3.结构的几何形状上端小、下端大的结构，稳定性好。技术探究连接不牢会影响结
18、构的稳定性板凳在荷载作用下，凳面、凳体均未损坏，只是由于构件间连接不牢(如榫卯松动)，凳体产生倾斜而不能维持原有整体形态，出现结构不稳定现象，如图1-49所示。房屋建筑中，楼层与楼层之间的隔板曾有用预制件搭在墙体上的做法。这种建筑在地震情况下容易坍塌。为什么这种建筑结构抗震性能差?调查研究 上面讲的影响结构稳定性的因素主要是与重力有关的因素。其实，影响结构稳定性的因素不止这几点。例如，我们已学过的三角形比四边形稳定。就是说，三角形框架比四边形框架稳定性好。查阅资料，了解还有哪些影响结构稳定性的因素，人们为增加结构稳定性采取了哪些措施。(二）巧妙地增加结构的稳定性怎样才能使结构的稳定性增加?可以
19、想到的是:尽可能地增大结构的底面面积;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限制。下面，我们来研究增加结构稳定性的技术思想和方法。(1）减小长细比。长细比，指的是结构的纵向有效长度与横向截面的最小几何尺寸之比。如果是杆件，长细比越大，越易失稳。长细形杆件变形的主要情形如图1-50所示。因此，正确处理杆件的长细比和选用材料十分重要。(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。本章第三节中的试验3简易组态试验,就是一个很好的例子。另外，自行车车体(图1-9)不也是一种巧妙的结构吗?问题思考 上面的增加结构稳定性的做法，是从什么角度(影响因素)去考虑问题的?
20、你还有没有其他构想?阅读材料两类框架及其稳定性 三角形框架，受力合理，结构稳定。四边形框架相对三角形框架而言，稳定性差。所谓稳定性差,指的是在框架的某一侧边,如果出现外干扰作用力推(或拉）向框架，那么框架将顺着干扰力方向产生倾斜变形。因此，四边形框架结构只在特殊条件下使用，如门框、窗框，它的四周都设有墙壁，才限制其产生变形。框架与稳定性的部分图示1.三角形框架 三角形框架很稳定，如图1-51、图1-52所示，在外干扰力作用下，它的形状不会改变。2.四边形框架 如图1-53所示:(a)四边形框架用饺接便无法稳定。(b)中间加上斜掌即可提供单向的稳定性（当此斜穿承受拉力时)。(c)当斜掌采用不耐挤
21、压材料时，在图示荷载下对应不稳定。(d)加上另一根斜掌可提供双向的稳定性。(e)如果中间采用可以抵抗拉力也可以抵抗压力的斜杆，便可提供双向的稳定性。(f)与(e)相同。3.刚性框架 如图1-54所示:顶端的刚性节点形成有如板面的刚性音性节点可有足够的刚度(此时框架的内力作用有如稳定的三角形)。从基础伸出的类似悬臂的柱子，其稳定的原理就是它有刚性接头，如图1-55所示。这样的构造很常见。技术探究 在学习了上述三节之后，针对图1-56中的4种凳子，参照第一节实例1中的分析讨论和第三节的论述，着重对这几种结构的强度与稳定性展开深入的技术探究。凳子是一种经典的力学结构实例。通过对比几种凳子的架构形态、
22、构件材料与尺寸、连接方式等对结构的强度与稳定性产生的不同影响，深刻理解、牢固把握结构是为了承受力和抵抗变形的技术本质。技术实践(1）某小组同学设计了如图1-57所示的壁挂式简易衣帽架，由4根或6根杆件构成。杆件上，两端安装小横桩,供挂衣帽用;每根杆件的中间有孔，供杆件间连接固定用。本方案的优点是:结构简单，只由几根杆件构成,且可以根据需要增减杆件的数量;不占地面，使用方便;古朴、美观。1)试问从强度角度看，它的最薄弱处在哪里?请帮该小组同学提出增强强度的措施(如改变材质等)，并改进设计。2）同学们已为图1-57所示的衣帽架提高了强度方面的设计，那么这种结构稳定吗?这种衣帽架有什么缺点?应采用什么形状的杆件?请继续帮其改进设计方案。(2）请各小组对自己设计的衣帽架从结构的强度、稳定性等方面进行技术分析，如所用材料、连接方式等，并改进自己的设计方案,使衣帽架更加“结实”和“稳”。
