第一章结构与设计[考试标准]一、常见结构的认识1.结构的概念(1)结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。
从力学角度来说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。
(2)构件：一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。
2.结构的受力(1)构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力、弯曲力。
(2)结构的类型从力学架构与形态方面考虑，通常将结构分为实体结构、框架结构和壳体结构等基本类型。
二、稳定结构的探析1.结构的稳定性结构的稳定性是指结构在外力的作用下维持其原有平衡状态的能力，它是结构的重要性质之一。
2.影响结构稳定性的主要因素影响结构稳定性的因素主要有：重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面大小、结构的形状。
如果结构重心所在点的垂线落在支撑面范围内，则结构处于稳定状态。
3.影响结构强度的主要因素(1)结构的强度是指结构具有抵抗被外力破坏的能力。
结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。
三角形是框架结构中最基本的形状之一，它结实、稳定，所用材料最少。
在长方形或六边形的框架中间，加上三角形的支撑构件，可大大增加结构强度。
(2)构件的连接方式通常有两种：刚连接和铰连接。
榫接、胶接、焊接都属于刚连接。
4.结构与功能的关系结构不仅是事物存在的一种形式，而且可以影响事物的功能和作用。
结构的改变可以导致事物功能的变化。
三、简单结构的设计1.结构设计的主要因素结构设计应考虑的主要因素：符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命。
2.简单结构的设计根据问题确定具体的设计项目；明确设计目标及要求；进行设计分析；形成初步设计方案；模型或者原型制作；检测、优化和改进设计；设计评价。
四、经典结构的欣赏优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上，也表现在形式上，特别是功能与形式的统一上。
我们在赏析和分析这些经典的结构设计作品时，可以从两个角度来进行：1.技术角度：侧重结构的功能，结构的稳固性和耐用程度，造型设计的创意和表现力，材料，使用的合理性，工艺制造的精湛程度等等。
2.文化角度：侧重文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征，结构的个性特征等等。
【例1】(2016·10月浙江选考)如图所示为钢筋混凝土横梁的受力变形示意图。
由于混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，为了合理利用钢筋，下列对横梁的分析正确的是()A.上部弯曲的程度比下部大，应在上部布置粗钢筋，下部布置细钢筋B.上下部都弯曲，应在上部和下部布置相同的钢筋C.上部受压，下部受拉，应在上部布置细钢筋，下部布置粗钢筋D.上部受拉，下部受压，应在上部布置粗钢筋，下部布置细钢筋答案 C[变式1](2017·4月绍兴一模)如图是脚踏式垃圾桶内部杠杆示意图，脚踩在踏杆A点通过中间的支点作用，使得C点向上运动，从而使连杆BC打开垃圾桶盖。
在打开垃圾桶盖时，下列对杆件主要受力形式分析中正确的是()A.踏杆AC受弯曲，连杆BC受拉B.踏杆AC受压，连杆BC受弯曲C.踏杆AC受弯曲，连杆BC受压D.踏杆AC受压，连杆BC受拉答案 C【例2】如图所示是一款创意三轮车葡萄酒瓶架。
若要提高它的稳定性，有效的改进措施是()A.增加瓶筐材料的直径B.缩短前后轮的距离C.增大两后轮的直径D.增大两后轮的间距解析本题D项增大了结构与地面的支撑面积，提高结构的稳定性，因此D选项符合题意；A项提高了结构的强度；B项将减小结构与地面的支撑面积；C项升高了结构的重心，也降低了结构的稳定性。
答案 D[变式2](2017·4月衢丽湖舟联考)如图所示为我国传统木工工艺中的一种榫接结构。
已知构件的横截面尺寸均为100 mm×100 mm，以下关于构件2的结构方案中合理的是()答案 B【例3】小通家的简易电脑桌，使用一段时间后出现左右晃动。
下列改进方案中，合理的是()解析电脑桌在使用一段时间后出现了左右晃动的情况，最可能的是横、竖连接板之间松动导致的，因此属于结构的强度问题。
影响结构强度的因素主要有三种，本题其实考查的是结构的形状对强度的影响。
A选项影响的是结构的稳定性；C、D选项其实就等于长方形中间加一条平行于边的中线，改变后的结构依然是属于几何可变体系，电脑桌还是会左右晃动；只有B选项中的加竖立横板的方法才能保证不晃动。
答案 B[变式3](2017·4月浙江选考)如图所示是一种手动冲压机，扳动手柄，通过连杆带动压杆运动。
下列关于该冲压机的分析中，正确的是()A.压杆只能上下移动，不能转动，压杆与机座之间的连接属于刚连接B.冲压时连杆受压C.冲压机重心的垂线偏离支撑面中心，提高了冲压时的稳定性D.手柄上施加力F时，压杆向上运动答案 C【例4】(2015·10月浙江选考)如图所示是一款木制衣帽架。
为了提高其稳定性，下列措施中不合理的是()A.增大底座的支撑面积B.缩小立柱的截面积C.降低衣帽架的高度D.缩短衣帽钩伸出的长度解析本题考查了影响结构稳定性的因素。
A选项增大支持面积，能提高结构的稳定性；B选项缩小立柱的截面积，对稳定性没有影响；C选项降低衣帽架的高度，可降低重心，提高稳定性；D选项缩短衣帽钩的长度，使重心的垂线落在支撑面的范围内，可提高稳定性。
答案 B[变式4]如图所示为一款折叠式文具架，利用四边形的几何可变体系调节高度，为了提高其稳定性，以下措施中不正确的是()A.降低文具架的高度B.增大底部支撑面积C.采用较重的底座D.将其中的连接方式由铰连接改为刚连接解析根据本题意，D项改变连接方式后，折叠式文具架因为刚性连接而形体不可改变，违背了题意，D项错误，A、B、C三项都是增加其稳定性的措施。
答案 D【例5】孙丽对如图所示的户外垃圾桶结构进行改进。
以下措施中不合理的是()解析A项、C项通过铰连接增大了垃圾桶的实用性，可行性比较好；B项改变底座的形状，提高了垃圾桶的稳定性，措施可行；D项降低外桶固定点，重心高于固定点连线，桶易翻倒，稳定性差，符合题意，故选D。
答案 D[变式5]小刘家的长木凳凳脚与凳板间的连接处出现了松动，以下加固方法中，既美观又有效的是()解析本题考查简单结构的设计。
选项A、D在凳子侧面用铁钉固定木条的方法欠缺美观，而B、C相对较好；另外凳脚与凳板间松动用一根铁钉加固强度不够，连接处容易转动，效果不好。
选项C的榫接效果较好。
答案 C【易混易错】构件的五种受力形式(1)受拉与受压：由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的一对力所引起。
拉伸，是构件沿外力的作用方向伸长，截面变细。
压缩，是构件沿外力的作用方向缩短，截面变粗。
(2)受剪切：由大小相等、方向相反、相互平行且非常靠近的一对力所引起，表现为构件的相邻两截面沿外力的作用方向产生错位。
如连接件中的螺栓受力后的变形。
(3)受扭转：由大小相等、转向相反、作用面都垂直于杆轴的一对力偶所引起，表现为杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。
(4)受弯曲：由垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等、方向相反的力偶所引起的，表现为杆件轴线由直线变为受力平面内的曲线。
在结构中，载荷(即外力)、变形的关系是：载荷使结构变形，变形产生内力，载荷是“因”，变形和内力是“果”。
没有外载荷，结构就不会有变形，因而也就不会有因变形而产生的附加内力。
1.(2016·4月浙江模考)如图所示的交通路牌结构示意图。
横杆①②平行与立柱③垂直安装，当路牌遭遇正面强风时，横杆②与立柱③的主要受力形式分别是()A.②受压，③受拉、受弯曲B.②受弯曲，③受弯曲，受扭转C.②受弯曲，③受压、受弯曲D.②受压，③受弯曲、受扭转解析杆①②都处于悬空状态，靠近路牌一端受到垂直的重力荷载，两杆均受弯曲；立柱③有向横杆方向弯曲的趋势，如在强风的作用下，立柱在交通路牌的带动下发生扭转变形。
答案 B2.(2016·8月温州模考)如图所示为一款弯管器，在力F的作用下，扳手带动转盘，转盘牢牢拉住管子使其变形。
扳手和管子的主要受力形式是()A.扳手和管子都受拉B.扳手和管子都受弯曲C.扳手受弯曲，管子受拉D.管子受弯曲，扳手受拉解析本题的关键在于题目与图形的结合，扳手作用了力F，实际上发生了变形，在连接处靠弯曲力的作用给转盘施加力，管子主要受到转盘的弯曲力的作用，发生形变。
答案 B3.(2016·9月嘉兴联考)如图所示的框锯，安装好锯条后，转动元宝螺帽，调紧钢丝，从而绷紧锯条。
框锯中锯条、锯柄和锯梁的主要受力形式是()A.锯条受拉、锯柄受弯曲、锯梁受压B.锯条受压、锯柄受拉、锯梁受弯曲C.锯条受拉、锯柄受拉、锯梁受压D.锯条受压、锯柄受弯曲、锯梁受拉答案 A4.如图所示为一款塑料材质的小熊存钱罐，该存钱罐属于哪类结构()A.实体结构B.框架结构C.壳体结构D.组合结构解析读图后可以判断，存钱罐的整体结构属于壳体结构，其整体是由带有一定弧度的较薄的材料制作而成，一旦有外力作用，这个外力将由整个表面承受。
答案 C5.如图所示为移动屏幕支架，其支撑结构类似于伞骨，向上移动套在竖杆上的支撑脚连接件，支撑脚收拢，向下移动支撑脚连接件，支撑脚张开。
以下构件的主要受力形式正确的是()A.支撑脚受弯曲、连杆受拉B.支撑脚受拉、连杆受弯曲C.支撑脚受弯曲、连杆受弯曲D.支撑脚受压、连杆受压解析当支撑脚张开，连杆被拉至水平状态，连杆两端受到沿杆方面使杆伸长的力，因此连杆受拉；支撑脚受地面竖直向上的支持力，同时中部受连杆的反作用力，将发生中部下凹形变，因此支撑脚受弯曲。
答案 A6.(2016·9月台州模考)图甲为一高度可调的家用烫衣架，利用支架卡在图乙所示的调节块凹槽的不同位置来实现烫衣架的高度调节，调节块固定在烫衣板的背面。
为了改善烫衣架的结构性能，以下措施合理的是()A.为了提高烫衣架稳定性，采用更坚硬的材料做支架B.为了提高烫衣架强度，将支架直接固定在烫衣板的背面C.为了提高烫衣架稳定性，采用不锈钢板做烫衣板D.为了提高烫衣架强度，采用直径稍大一点的金属管做支架解析影响结构稳定性的因素有重心位置、支撑面、结构的形状；影响结构强度的因素是材料、形状、连接方式。
A错误，属于强度范畴；B错误，局部连接的改变，对支架没什么影响，而且不方便；C错误，增大了上部的重量，变得更不稳定，对结构的强度也有负面影响；同样材料的金属管直径加大，强度增强，D 正确。
答案 D7.如图所示为悬挂重物的单杆，其各部件的主要受力形式与固定在墙壁上的木杆受力形式相同的是()A.横杆B.拉绳C.竖杆D.重物拉绳答案 A8.(2016·8月温州模考)微波炉支撑架由墙壁固定板和托架组成，微波炉支撑脚放在托架的槽中。