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纸桥的设计与制作

◇背景材料

1、知识背景:

⑴压力与压强

知道压力的概念,压力是指垂直压在物体表面上的力。

理解压强的的概念, 压强是物体单位面积受到的压力。

固体的压强跟受力面积有关,截面积对压力有直接影响,截面积越大,压力越小

⑵拱形桥:拱起了腰的纸条可以驮起一盒火柴,这说明,向上拱起的物体最能承受外来的压力,它的强度要比没有拱起时大。火柴盒压在纸拱桥上,给予纸拱的是一种静态外力,它和作用在装甲车上的子弹冲击力不同。纸拱桥这种抵抗静态外力的本领,就叫静强度。

我们的祖先很早就发现了拱形物体的这种性质,并且把它运用到建筑上去。各地发掘出的东汉古墓,多数有“拱”式结构,可见一千几百年前我国的筑拱技术已经相当普及了。

现存的最古老的石拱桥是我国的赵州桥。赵州桥是隋朝石匠李春设计监造的,自公元616年建成,到现在已经有1300多年的历史了。这座石桥横跨在河北赵县城南洨河上,有着一个弧形的桥洞,犹如跨在河上的长虹。在漫长的岁月里,赵州桥经受了地震的摇撼,洪水的冲击,车马的压轧,仍然屹立在洨河上。(图一)赵州桥不但有个弧形的大拱,而且在桥肩还有4个小拱。当山洪暴发时,小拱可以把洪水泄走。赵州桥坚固的秘密正在拱上。我国科技人员和工人继承并发展了拱桥建筑的传统,运用现代强度理论以及工程学,创造了双曲拱桥。双曲拱桥的外形同一般的空腹式拱桥好像没有什么区别。但是你如果走到桥下一看,就会发现它的肚皮是凹的,好像由几条自行车的挡泥板拼起来的,真是拱中有拱。这种桥的优点是造价低,载重负荷大,施工方便,节省材料。宏伟的南京长江大桥的公路引桥便是这种双曲拱桥。(图二)

双曲拱比单曲拱能承受更大的载荷,主要是因为双曲拱不仅在一个方向上呈拱形,而且在与其垂直的另一方向也呈拱形。自行车的挡泥板就是这种双曲拱形的。当它受力时,力使沿着两个拱的方向更均匀地传递;某一局部受力过大时,双曲拱能迅速自行调整平衡,使整个双拱曲不会因局部受力过大而损坏。

拱形结构除了能用于建造桥梁外,另一个重大的用处就是建造水坝。特别是双曲拱形坝,由于拱形顶所受的水压力能通过拱体均匀地传递给河岸,依靠坚固的两岸来维持的稳定,它与完全靠自身重量来维持平衡的重力坝相比,不仅可以减少体积,节约材料,而且还有一定的弹性,对地基的局部变形具有一定的适应能力,有较好的抗震性能。

我们的脚上就长着“双曲拱桥”,它就是人的足弓正常的脚都可以区分出三个足弓:两个纵向的纵弓和一个横断面上的横弓。

⑶ 桥的历史与发展现状:

我国古代桥梁多用木、石、藤、竹及至皮革之类的天然材料,锻铁出现以后有了简单的铁链桥。它们的强度都很低。木、藤、竹,皮革类易腐烂,能够保留至今的古代桥梁多为石桥。中国古代著名石桥有:1河北赵州安济桥、2北京泸沟桥、3泉州安平桥。

1900-1949年,这一时期中国的桥梁建设几乎处于停滞状态,特别是由中国自行建设的桥梁工程更是寥寥无几。其中代表桥梁是1943年由我国老一辈桥梁工程专家茅以升老先生主持设计并建设的杭州钱塘江大桥。(图三)

钱塘江大桥位于杭州闸口六和塔附近,是由我国工程师自行设计并监造的第一座双层式公、铁两用桥。全桥长1453米,正桥长1072米,两岸引桥长381米。于1931年11月11日举行开工典礼,1935年通车。这座现代化的钢铁大桥为沟通南北交通作出了突出的贡献,同时也标志着中国使用钢铁建设桥梁进入了一个全新的阶段。

同时期的国外桥梁已远远超过中国,钢铁技术达到高峰,出现了第一次悬索桥建设高潮。著名的桥梁有:1931年建成的纽约华盛顿桥、1937年建成的旧金山大桥、1932年建成的悉尼钢拱桥。

1950年—1978年中,我国的桥梁建设经历了艰苦创业和曲折发展两个历史时期。武汉长江大桥(图四)与南京长江大桥先后建成通车。

中国桥梁建设的一大里程碑--南京长江大桥,位于江苏省南京市,正桥为公、铁层连续桁梁桥,长1576米。南京长江大桥是完全依靠自己的技术力量和国产材料建成的长江大桥,因此,它的建成标志着我国的建桥技术进入了一个独立自主的新水平、新阶段。

同时期的外国桥梁出现了多元纷呈、各显其能的新趋势。斜拉桥成为主要桥型,日本和丹麦开始实施宏伟的跨海工程计划。

1979-1999年,在这短短的二十年里,中国现代桥梁事业取得了令人刮目相看的成绩,并迅速赶上世界桥梁建设的先进水平。上海南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥确定了我国桥梁的世界地位。五座悬索桥:跨度452米的汕头海湾大桥、跨度888米的广东虎门大桥、跨度900米的西凌长江大桥、跨度1385米的江阴长江大桥和跨度648米的厦门海沧大桥的同时兴建,标志着中国正在走向世界桥梁王国之列。

我国在现代桥梁建设技术方面,已跻身世界先进行列。

目前,我国已经能够熟练建造长大跨径、深水基础桥梁,桥梁建设技术跻身世界前列。据交通部部长黄镇东介绍,如预应力混凝土梁桥、各式拱桥、斜拉桥和悬索桥建设,我国都实现了技术上的突破和发展。我国先后建成了江阴长江大桥、虎门大桥、万县长江大桥、南京长江二桥等一批技术含量高、在世界上有影响的重大工程项目。江阴长江大桥主跨跨径1385米,是20世纪我国修建的跨度最大的桥梁,居世界同类斜拉悬索桥第四位。万县长江大桥特大跨钢筋混凝土拱桥设计和施工,是一项国际创新的技术,获2000年国家科技进步一等奖。虎门大桥建设成套技术获2000年国家科技进步二等奖。

新技术、新工艺、新设备的采用保障了我国桥梁建设事业的快速发展。截至去年底,全国共有各类公路桥梁24万座,共计865万延米,其中特大桥1139座,大桥12741座。这些桥梁造型优美,美观实用,成为当地的一道风景。

桥梁作为一跨越结构,其造型千姿百态,这主要受其跨度、材料、荷载及施工方法四大因素的影响,当然也包括人的意识形态或者说是审美趋向的影响。只是一些杰出的桥梁工程师,他们利用自己对工程结构的深刻理解,大胆、执着、创造性地设计出许多伟大的桥梁(式),如林同炎设计的反吊桥、曲线斜拉桥、展翅梁桥及预应力钢桥等。

2. 方法背景:

⑴ 纸桥的制作方法及要求:

制作时间35分钟

桥的强度(两桥墩之间)不小于15厘米,桥宽不小于5厘米

桥的承重力强,坚固(以重物重量为准)

⑵ 科学的研究方法:

①用声像演示的手段向学生展示桥梁用各种物件,如工字型钢、角钢等(如图),使学生理解通过改变纸的形状,可以增加柔软纸的强度并能承载一定的重量。学生自己动手试验,寻找更多的用改变纸的形状增加纸承载重量的方法,以此培养学生探索、观察、分析能力;初步训练学生能将常见的事物本质属性抽象、概括,形成科学概念的概括、推理、归纳、综合能力。

②学生查找资料或向教师、家长请教“物体形状和强度的关系”及科学原理,收集和查阅有关桥梁设计、造型方面的资料和图片。训练学生学会收集、整理和初步运用多种信息,有目的地开展调查研究的方法。并将收集到的资料、信息积累起来,分类保管,树立信息积累的观念。

③学生以组为单位活动。要求各活动小组根据本组设计的图纸,按制作要求密切合作,完成纸桥的制作。在制作过程中,注意用“记录纸”(或教师提供的数据表)记录相关数据。使学生学会处理观察、制作结果的科学方法。

④各活动小组展示各自作品,由各组选派一名同学谈设计制作的感受。训练学生运用语言完整表达观察结果、制作过程、描述成品的能力。首先你得有胶水剪刀等工具,然后把纸沿短的一边都卷起来,卷成圆筒形,卷的越实越好,然后就可以拼接了,整个桥要拼接的牢靠,具体大小和做法看你自己。有什么补助工具吗,剪刀、胶水,可以捆绑不。

作出来的桥长、宽有要求吗多使用圆和三角的结合,如纸扇的样子用胶水粘结,把桥做成箱型结构,可以实现很高的荷质比,在105:1以上

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