三、结构与强度

看看前面讲过的拔河比赛绳子断了的例子，大家会说，那是绳子不够结实。其实也可以换句话说，那是绳子的强度不够。

结构的强度是指结构具有的抵抗外力破坏的能力。结构的形状、结构使用的材料以及结构中构件之间的连接方式等对结构的强度有着较大的影响。

（一）结构的形状

结构的形状是多种多样的，这与它的性能、用途有关。如路边的路灯，只用一两根简单杆件构成即可（图1.30）。

图1.30   路灯

而承载量很大的航空器结构，则采用了高强度、高稳定性的较复杂桁架结构。这些构件大多呈三角形或方形，它们互相连接，多路传力，大大加强了其牢固程度。例如，飞机尾翼内的多个三角形结构（图1.31）和飞机机体内部多个方形结构（图1.32）。

图1.31  飞机尾翼内部图       1.32  飞机机体内部

实践与体验

结构小试验

先找一副扑克牌和几张比扑克牌纸略薄的纸，如图1.33所示，分别将纸展平、弯曲并定型、曲折后放在两叠高度相同的书本上。请问：如果将扑克牌轻轻放在纸桥上面，哪种情况下可以放最多的纸牌而纸桥不塌掉？可以边动手做边分析。

图1.33  不同纸桥上放纸牌

构件横截面的尺寸形状有多种多样。显然，由同一种材料制作的构件，横截面形状不同，其承载能力也是不同的。

 做中学

截面形状对结构强度的影响

【目的】

测试不同截面形状的构件做成的简支梁（指梁的两端搁置在支架上）的强度。

【准备】

使用3D打印机制作截面的面积、高度相同，截面形状不同的构件，构件长度相同（图1.34）；托盘，砝码若干。

图1.34  构件

【步骤】

1．分别将不同截面形状的构件两端固定，中间悬空，构成简支梁，如图1.35所示。

2．分别在不同的简支梁的中间悬挂相同质量的砝码，并依次增加相同质量的砝码，直到简支梁被破坏，记录此时砝码的质量。

图1.35  简支梁

3．整理记录，对不同截面形状构件所能承受的砝码质量进行排序。

4．小组讨论，形成试验报告。

【思考】

1．哪种截面形状的3D打印构件可以承受的力更大？

2．还有哪些截面形状的构件？如果有条件，可以探究一下。

拿具有矩形和圆形截面的同种构件来比，假设它们的截面面积相等（图1.36a），从前文讲的构件弯曲变形后的受力分析可知，在它的上、下边缘处应力最大，而越靠近中性轴处应力越小。圆形截面在离中性轴较远的上下边缘处的面积较小，而接近中性轴处的面积较大，这样就有很大一部分材料没有充分发挥作用。显然，矩形截面比圆形截面的承载能力要大。

图1.36  不同形状截面的对比

当然，矩形截面还不是最好的，为了尽量做到物尽其用，可将中性轴附近的材料移放到离中性轴较远的地方去。根据这个原则，出现了工程上常用的工字梁等型钢的工字形截面（图1.36b）。拿标准的工字钢梁来看，它的强度大约要比高度和截面面积相同的矩形截面梁大一倍。工业和民用建筑以及桥梁等工程常常采用工字钢梁，因为它可以在减轻自重的同时有效地提高结构的承载力。