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（地质版）《技术与设计2》课文内容

第一章  结构与设计

第二节  典型结构案例分析

——结构是怎样受力的

2010年7月第二版  2011年7月第二次印刷

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不同的结构，具有不同的功能，能受不同的力，抵抗不同的变形。结构如何承受力？如何抵抗住变形？现在来做典型案例分析。

一、单杠结构分析

1、单杠的结构

单杠是常见的体操器械，结构并不复杂，如图1-15所示。

单杠的构件有：杠体，是器械的主体；立柱和拉杆，共同支撑杠体并承受荷载。单杠为什么要采用这样的结构呢？这需要做受力与变形分析。

图1-15单杠结构示意图1、杠体2、主柱3、4、5、6拉杆

问题思考

构件可由不同材料构成。图1-15所示的单杠，其构件有什么特点？它们为什么要这样搭配和排列？

阅读材料

拉伸、压缩与弯曲

构件受外力作用时，要发生形状或大小的改变，这种改变常称为变形，物理学中称为形变。

前面的实例中，吊车的吊绳承受的外力是拉力，拉力所产生的变形为拉伸，组成材料（麻或钢丝）的粒子被拉开；板凳腿承受的外力是压力，压力所产生的变形为压缩，组成材料（木料或其他）的料子被推近。拉力和压力都是荷载作用的结果。

当杆件受到与杆纵轴线相垂直的外力作用时，杆件产生的变形为弯曲。发生弯曲变形的构件，称为梁。

当板凳很长时，凳面可视为梁。此种凳面在人的体重（或重物）等外力作用下，会发生弯曲变形。只是这种变形可能很小，肉眼不易看出来。而跳水的跳板发生的弯曲变形却非常明显的。弯曲变形如图1-16和图1-17所示。

图1-16长条板凳凳面变形示意图      图1-17跳板弯曲变形示意图

问题思考

长条板凳的等面和跳板，同视为梁。然而，在使用中，不让前者发生明显变形，却让后者发生明显变形。这是基于什么考虑而设计的？

2、杠体的受力与变形

单杠的杠体作为结构的基本构件，其工作状态不完全与跳板相同。单杠是具有双支撑点的梁，而跳板是只有单支撑点的梁（悬臂梁）。二者的支撑情况有别，受力与变形情况也就不一样。

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，包括人体质量和回转运动产生的离心力，使杠体发生弯曲变形。这种外力称为弯曲力。值得注意的是，杠体弯曲变形的方向，是随人体回转所到的空间位置变化而变化的，即杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向发生弯曲。

3、立柱、拉杆的受力与变形

单杠的立柱，是总载荷（杠体和人体）的主支撑点。当人体静挂或静骑在杠体上时，两根立柱只承受压力。

当人体回转到单杠的一侧（如单杠的前侧）时，如图1-18所示，经过杠体传到立柱上端的外力将会对立柱产生弯矩M，使立柱产生弯曲（向单杠的前侧）变形的趋势。

此时，立柱就相当于根部固定于地基（埋在地下）的垂直梁。它以钢制材料、合适的粗细和根部与地面的牢固连接等因素，产生抵抗柱端的弯曲变形。同时拉杆将起到配合立柱抗变形的作用。如杠后侧的两根拉杆6和4，被传给柱上端的外力所拉伸；反过来，拉杆6和4以及地基对立柱的反作用力，要产生一个与M方向相反的弯矩，记作M＇。M＇起到削弱、平衡M的作用，保持单杠整体稳定。