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  • 1 # 使用者3030028739327

    雖然這種結構拉索確實必須張緊以在索中引入預應力,但這種結構形式我們通常叫作“張拉整體”(Tensegrity)。前面的答案多少解釋過張拉整體了,我這裡就只簡單介紹下預應力的概念吧。所謂預應力,就是在結構正常工作前先主動透過拉壓彎曲等方法在構件內部產生應力(應力是材料力學的概念,可以理解為材料內部的單位力)。這麼做的主要目的包括:1、充分發揮材料強度有些材料抗拉強度小,只適合於受壓,否則很容易就要開裂破壞,比如混凝土和石材;有些材料拉伸強度高,但是不能受壓,在壓力下無法承載,比如鋼索。兩種材料組成一體共同工作的時候,由於材料各種特性的不同,往往不能夠充分發揮材料強度。比如鋼筋混凝土,即使用高強的鋼和混凝土,因為材料應變的原因,總是鋼材強度遠沒有達到破壞,混凝土已經先被壓碎了。這就要求採用預應力的方法,可以減小正常工作時受壓區混凝土的應變,從而充分利用高強鋼材和混凝土的強度。2、改變正常工作時的應力分佈在正常工作前預先在構件內部產生應力,這個應力就可以與正常工作情況下的應力疊加。從而改善截面內的應力分佈。比如,彎曲的梁截面裡的應力分佈是一部分受拉一部分受壓,如果在正常工作前先加入一個反向的彎矩,使得預期受拉的部分受壓,受壓的部分受拉,那麼正常工作時應力可以相互抵消,從而減小構件中最終的應力。3、減小正常工作時的材料變形對日常生活能夠見到的絕大部分物體來說,力和變形是形影不離的好兄弟。有力一定有變形,雖然肉眼不一定都能看出來。所以預應力會使得構件產生一定的變形,通常也會讓這個變形與正常工作狀態下的變形相反,從而抵消減小正常工作下的構件變形。建築物的正常使用對變形是有要求的,變形過大可能使得粉刷開裂、玻璃壓碎、鋼筋鏽蝕、氣體、放射性物質洩漏等等。透過預應力可以解決這些問題。具體例子可以參考下酒桶,想象下一片片木板透過鐵箍組合起來的酒桶為什麼能在撐滿了酒的情況下一滴不漏?4、使柔性構件變剛柔性的索、膜在沒有張拉的時候是鬆弛的,不能承受任何外力。只有預先張緊才能夠提供剛硬的效能(應力剛度)來承載外荷載。而且張拉的力越大,剛度越高。有一類結構,受拉的構件完全是柔性的,受壓或者受彎的構件完全是剛性的,這類結構就是張拉整體結構,本問中展示的椅子就是一例,詳細前面答案回答很好,就不再重複了。需要指出,這種結構的形狀、初始狀態各個構件中的預應力分佈,以及製作時下料的尺寸都是需要透過特殊的計算確定的,比一般結構複雜得多,從方案階段開始到建造完成都需要設計師和工程師緊密合作。這個椅子很簡單,但是其巧妙的地方是除了中間的索,其他索長度相同就可以了,所有不確定的因素都透過中間索的花籃螺栓調節,避開了不少問題(當然建築結構的話不可能這麼做)。如果你身邊沒有這樣的椅子,就不妨參考下你的腳踏車輪子。與汽車輪子不同,腳踏車輪是透過細細的輻條連線輪轂和中軸組成的。軟趴趴的輻條是怎麼構成剛硬的腳踏車輪的呢?(當然腳踏車輪與狹義上的張拉整體結構有所不同,有興趣的話我們再討論)值得一提的是,由於構件受拉沒有屈曲的問題,這類結構的效率極高,十分輕巧,建築效果很好,從材料用量上說亦極其經濟,值得廣大業主和建築師注意。回顧預應力的作用,我們會發現,1、2、3都是使得本來成立的結構更好,只有4是使得本來不成立的結構成立。所以從廣義上說,在正常工作前預先引入了應力的結構都可以稱作預應力結構。但實際中預應力結構的說法更多是指為了目的1~3而引入預應力的結構,如預應力混凝土梁、預應力樓板等,而為了達成目的4而引入預應力的結構我們很少叫它們預應力結構,而是直接叫張弦梁、膜、索桁架、張拉整體結構等。離開了預應力,這類結構就不成立,預應力是這類結構自身不可分割的一部分。因此就不需要再強調“預應力”了。上述表述如有不足,歡迎討論補充。

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