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工字梁结构的再改进

是不是工字梁就是最好的梁呢？并不是，原因如下：

1．它的腹板（工字梁的上、下两个“翅膀”叫作翼板，中间部分叫作腹板）部分的材料仍然不能被充分利用（图1.37a）。

2．当跨度很大时，梁的自身质量将会引起较大的弯曲。例如，高20cm、长20m的工字梁，由于自身质量产生的弯曲会使梁的中点下移达到13 cm；若长度达50m，梁就会因自重而折断。所以，对于大跨度的情况，工字梁就无能为力了。

要克服上述第一个缺点，可以将工字梁腹板中的一部分材料挖去，形成许多孔口（图1.37b）。这个想法自然而然地使我们又想到了用杆件铰接成的结构来代替工字梁。这种结构就是前文提到的桁架（图1.37c）。桁架的特点是各个杆件都只受到轴向拉伸或压缩的作用，而不受弯曲作用。因此，桁架与工字梁相比，不但大大节省了材料，而且更适于做大跨度的桥梁结构（图1.37d），也克服了上述“对于大跨度的情况，工字梁就无能为力了”的缺点。

图1.37   对工字梁结构的再改进

（二）结构的材料

不同种类材料的密度、极限强度、变形方式及工艺特点各不相同，所以结构的材料也会影响结构的强度。在《技术与设计1》中已讲过材料，这里列表（表1.3）比较一下日常生活中常见的木材、金属、塑料和复合材料，主要着眼于它们的力学性能。

表1.3　四种常用材料的性能及特点

探究与交流

雨伞和拐杖都是常见的生活用品（图1.38），且雨伞的伞柄和拐杖形状相似。观察一下，它们各自采用什么材料制作而成？为什么？

图1.38   雨伞和拐杖

（三）结构的连接方式

一个结构往往需要由若干个构件连接而成。采用何种连接方式会受到结构材料和结构功能的限制。构件的连接方式不同，结构的强度也不相同。这里介绍常见的焊接、铆接、螺栓连接、胶接、榫接等连接方式。

1．焊接

焊接是两种材料通过高温熔化或高温、高压作用，产生原子或分子间的结合和扩散作用而形成焊缝，从而将两个零件连接成一个整体（图1.39a）。这是钢材连接的主要方法，优点在于设备简单、省料省工，能实现自动化操作。焊接属于永久性不可拆卸连接。

2．铆接

铆接须事先在构件上钻孔，然后用加热过或常温下的铆钉进行铆合（图1.39b）。铆接的最大优点在于韧性和塑性好，传力可靠；缺点是费料费工。现在已很少采用大面积的平面铆钉连接了。铆接属于可拆式连接，巴黎的埃菲尔铁塔的构件连接就是主要采用铆接。

3．螺栓连接

螺栓连接是在被连接件上钻孔，穿入螺栓，拧紧螺母，实现可拆式连接的一种方式（图1.39c），通常用于结构的安装连接。普通螺栓连接件还有螺母垫圈。为了保持连接的紧密性和可靠性，必须适当拧紧螺母，从而在螺栓内产生一定的预紧力。为了防止螺母在工作中松动，可使用弹簧垫圈防松动或采用双螺母锁紧。

a．焊接    b．铆接　　c．螺栓连接

图1.39　焊接、铆接和螺栓连接示意图