回覆列表
-
1 # 國科大科學與人文
-
2 # 八桂晨跑歐
這涉及到材料力學與結構力學的問題。下面僅從理性與感性上闡述。
鋼筋混凝土做成的電線杆從結構上為什麼都做成空心的?這要從材料力學原理上來描述:圓柱體的彎曲應為分佈,自圓心軸線到圓周的半徑方向呈梯形分佈。即圓柱表面處應力最大,越靠近圓心軸線應力越小。因此,為了減少耗材,減輕構件自重,可以適當掏空芯材。在體積同樣的材料,做成空心要比實心獲得更大直徑的圓柱體,從而獲得更大的抗彎強度。
所以,社會上普遍使用的管狀支柱,無論是圓柱形、半圓形、三角形、方形等,也無論是鋼筋混凝土製造的(電線杆、建築物地下基樁等)或者是採用金屬材料製造的(如櫃子、箱子、儲物架等),均做成空心就是這個道理。
根據結構力學原理,中空的梁,其抗彎曲的能力並不比實心梁差多少。比如,根據截面抗彎模量的計算公式,兩個材料相同截面直徑也一樣的梁,其中一個是實心的,另一個有一半是空心,則兩者的截面抗彎模量相比,半空心梁是實心梁的十六分之十五。也就是說,中間有一半是空心的梁,只比同樣尺度的實心梁抗彎能力減小了十六分之一,相當於6%。這說明兩者在抗彎能力方面幾乎沒有多大差別。
在豎直的承載力方面,當截面面積一定的情況下,承載力與截面抗彎模量成正比。也就是說,抗彎模量越大,承載力越大。前面已經計算過,中空的梁,其截面抗彎模量只比實心梁抗彎模量降低了很少一點點,所以其豎直承載力也相當於實心梁。
經過簡單計算,可以得出上述空心梁比實心梁減少了25%的體積,相當於減輕了25%的分量。所以,採用中空梁一方面可以節省材料,另一方面也可以減輕電線杆的重量,同時電線杆的抗彎強度和豎直承載力幾乎沒有多大降低。
節省材料可以降低製造成本,減輕分量可以降低運輸和安裝困難,也可以節省成本。所以,電線杆採用中空結構是一個非常合理的設計。
實際上,在自然界也可以看到類似的結構,比如竹子,還有很多植物都是空心的,但其強度並不低。完全可以支撐自身的重量,並抵抗暴風雨的襲擊。似乎大自然也懂得力學原理。