楼板受力分析
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楼板力学分析
广东省封开县江口中学 526500
张东旭
论文摘要:本文深入探讨了粤教版的一道课后习题,针对这道题进行了系统的理论分析。 关键字:力矩 物体平衡 截面法
问题出之于粤教版必修一第三章第一节课后习题第六题。
建筑中,用水泥混凝土制作各楼层的地板时,由于混凝土坚硬耐挤压但缺乏弹性,容易在拉伸时断裂,而钢筋弹性好,耐拉伸,所以常在水泥板内加钢筋以增强其抵抗弯曲的能力,试根据弯曲形变的特点说明图中三种布置钢筋的方法中哪种最合理。
教学参考书中只给出了答案是a 选项,至于为什么选a 教学参考书中没有任何提示。 出题人的想法可能是想把这道题出成一种扩展题型。与文科的材料题很类似。
特点就是题目中所涉及的物理知识是超过教学大纲要求的,书本上肯定没有,在题干中出题人给考生留下了解题的提示。在做题的同时扩展考生的知识面。由裁判学生成绩的“法官”,变成学生成长的促进者.这一点事切实符合新课标理念的。所以说这道题是一道好题。但是多年的应试教育体制下的教师、学生已经产生了思维固化。我个人觉得,在教师用书上还是应该给任课教师做出提示的。
学生主要存在的问题有那些呢?
学生在做这道题的时候产生了很大的疑问。题目中已经明确了楼板受两个力,一个是压力。学生理解的比较好,另外一个是钢筋的产生的纵向拉力。楼板整体是平衡的,那么这个拉力是用来与那个力平衡的。这个力明显不属于重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力的范畴。
第一个超纲的点在物理和理论力学中,假设受力体是不变形的刚体。讨论的是物体在外力作用下的速度、加速度、运动轨迹和运动中的能量转换问题。在这里就没有内力、变形、强度等概念。但在工程结构中,受力体是由“可变形固体”材料组成的结构。这时,结构在外力作用下,就会产生变形。也正是由于这种变形,才产生了抵抗外力的内力。也正是由于这种内力,结构才表现出承力和传力的功能。比如桥梁,在车辆压上去时,它是通过一系列的组成构件将车辆对桥面的压力传递到基座上去的。这道题显然研究的是系统内力,属于结构力学范畴。
第二个超纲的点,粤教版教材认为物体静止的条件是受力平衡,根本不考虑转动,不涉及到转动平衡,而这道题恰恰属于转动平衡。
物体的平衡是指两个不同的平衡的合称,及位动平衡和转动平衡。前者对应的是平动(滑动),平衡条件为所收合外力为零,平动过程中物体自身的各质点间不会产生相对位移。后者对应的是转动,平衡条件为以某点为支点,总力矩为零,则称相对这点转动平衡。纯转动(合外力为零,相对某点合力矩不为零)的过程中物体的质心是不会产生位移的。
力矩,大家都比较熟悉。它是和物体的转动相联系的一个力学概念。一个具有固定轴的
静止物体,在外力作用下,它可能发生转动,也可能不发生转动。因为,物体是否转动,不仅与外力的大小有关,而且与力的着力点及作用力的方向有关。例如,我们开关门窗时,如果作用力与转轴平行或通过转轴时,不论你用力多大,也不能把门窗打开或关上,因为这两情况下力矩都等于零,自然门窗也就不会转动了。假设所施加的外力在垂直于转轴的平面内,力的作用线和转轴之间的垂直距离不为零,即作用线不和转轴相交,则我们把这个力的大小与力臂的乘积称为这力对转轴的力矩。
物理学还告诉我们,力矩是矢量;在物体的定轴转动中,力矩的作用与在直线运动中力的作用完全类似,且有相应的“转动第一定律”和“转动第二定律”。
下面我们详细的用力矩平衡分析一下这道题。
如图所示,梁AB在集中载荷P和支座支撑力的共同作用下承受着弯曲。为了分析此时梁的内力,我们任取一截面m-m,将梁切开,考查左边的部分。结构力学那部分受力少就考虑那部分。作用在这部分上的外力只有RA,故在右边的截面上必有垂直向下的内力Q与之平衡,即Q=RA,我们称Q为剪力。它是均匀分布在m-m截面上的“剪应力”的合力。又由于整个梁和各部份都没有转动,因此,由Q和RA产生的力偶矩QX,也必然要由截面上产生的内力偶M来平衡。即M=QX。这个垂直于m-m截面的内力形成的力偶矩就是我们所说的弯矩。由物理学知道,力偶是由量值相等,相互平行但不作用在同一直线上的两个力而形成的。形成弯矩的两个力分别作用于过截面形心的中性轴的上面和下面,它们也是截面应力的合力。上面的应力垂直于截面,指向截面,使截面受压;下面的应力,垂直于截面,指向离开截面的方向,使截面受拉。
参考文献:
1、《物理》福建教育出版社,1998年。