结构设计竞赛设计书.docx

1、结构设计竞赛设计书2018年土木工程学院结构设计竞赛纸质桥梁转体施工模型结构设计计 算 书参赛队伍参赛队员二一八年十一月目录第一章 设计说明 11 作品简介 11.1 基本参数 11.2 设计思路 12 结构选型 12.1 模型结构选择 12.2 材料截面选择 22.3 模型结构图 3图1 正视图 3图二 俯视图 4图三 侧视图 43 节点处理及制作 43.1 杆件拼接连接 43.2 节点连接 4第二章 设计计算 61 基本假定及模型建立 61） 模型计算求解时所有节点连接均为刚接； 62） 各个杆件截面均假设为方形； 63） 各杆件均假设为直立杆，无弯曲； 64） 假设杆件受力时，假设强度可

2、充分发挥，各杆强度一致； 65） 假设各杆件尺寸即为设计尺寸，无偏差。 62 计算参数 63 结构模型建立 74 内力、承载力计算分析 7第三章 总结与感悟 9第1章 设计说明1 作品简介1.1 基本参数（1）高度300mm，宽度120mm，总跨度520mm；（2）模型左部为底面120120mm，高300mm 的柱体；（3）模型右部立面图为上底 50mm，下底 120mm，高 400mm的直角梯形；（4）模型各部分尺寸允许5mm 误差；1.2 设计思路竞赛要求设计为纸质桥梁转体结构，加载部分分三级：第一级为左端承受10kg压力荷载15；第二级为在第一级荷载不取下的前提下，在横跨末端底部承受2.

3、5kg的压力，并于稳定后旋转90；第三级要求在前两级荷载不取下的前提下在横跨面指定位置施加5kg压力并保持10。经受力分析，第一级主要承受压力荷载，对模型的要求条件不是很大。第二三级不但承受压力荷载，同时存在弯矩，对节点连接，纸质杆抗弯要求较高，而且由于结构存在一定跨度和宽度要求模型制作时要注重抗扭设计。所以，针对第二级加载时对左、右部交界处的节点的扭矩，我们设计在模型左部加三角形的杆件抵住节点，如此一来，既可以抗扭也可以分担一部分第一级荷载的压力。针对第二三级荷载多对桥面部分可能存在的拉力，我们设计两根连杆以更好的连通左右两部分。最后在桥面上设置三角连杆来防止桥体的扭曲变形。2 结构选型2.

4、1 模型结构选择根据竞赛题目的要求，我们组从模型制作的材料抗压特性、抗拉特性和静力加载，转体90等方面综合出发，结合节省材料，经济美观，承载能力强的特点，采用了纸质材料，白乳胶材料制作了该模型纸质桥梁转体施工模型。在模型结构分析的基础上，我们对以下几种设计方案进行了分析。1.简支梁：简支梁受部分均布荷载。由于构件受弯是非常不利的，因此如果选用简支梁的形式，梁纵截面应选用鱼腹梁的形式。但制作难度大。如果梁为几片相同形状的纸粘接加厚而成，则侧面易失稳。因此不便采用。2.拱形结构。拱桥最适于承受均布荷载，但在制作上较费材料。由于拱桥需要由很密的拱作片拼成，中间加肋，因此桥的自重较大，不便采用。3.桁

5、架结构。由弯矩分布可以看出，采用梯形桁架较接近弯矩分布，是合理结构。由于在要求荷载下，架桥水平方向必有压力，且要承受部分均布荷，是处于局部弯压状态。要使构件有较良好的压弯性能，必须多用材料，因此考虑通过局部构造措施，将均布荷载转换为两点或多点集中荷载，结构须是对称的。经过组内讨论，在符合竞赛要求的前提下，我组最后决定采用矩形作为主要承重结构，矩形内部设计三角形结构既能承重又能抵抗变形，桥体部分采用梯形结构，内部设立三角连接。模型左右两部分以节点和连杆相互连接传力。2.2 材料截面选择截面选择对结构本身有着重要影响，需要探究各种截面的性能优劣。一般需综合考虑以下方面：1)受力性能如压弯杆件，考虑

6、抗弯刚度的大小，宜采用方形截面；受压杆件，考虑受压稳定性，而不宜采用独立的细长杆件等。2)自重影响如对于抗弯模量相同的截面来说，方形截面比圆形截面杆件更轻一些。3)拼接工艺一般来说，方杆的拼接形式最为灵活，节点美观性也较好；而圆杆则较复杂。经综合考虑，我组决定采用方形截面。2.3 模型结构图图1 正视图图二 俯视图图三 侧视图3 节点处理及制作3.1 杆件拼接连接方形截面杆件的拼接相对圆形截面较为简单，这也是我组选择方形截面的一个重要原因。杆件拼接时，我们首先针对各个设计节点进行画线比量，然后根据需要刻开四面花、三面花以及两面花，再分别在左右两部进行局部拼接，左后进行整体拼接，确定尺寸后对节点

7、涂胶固定。3.2 节点连接节点处的受力较为复杂，是结构中的薄弱环节。实际工程中，一般要求框架结构节点强度大于梁柱强度，模型制作也不例外，尤其是受拉节点。节点设计的基本原则是：主要受力构件在节点处保持连续不截断，次要构件与重要构件保证可靠连接。1) 受拉节点即该节点处至少有一根以上的杆件承受拉应力，受拉节点是模型试验中破坏最为常见的部位，应引起参赛者的足够重视。在设计时，对于一般的受拉节点可采用以下方法：a) “整体弯折法”：即将受拉的杆件在连接处整体弯折而不截断，或者仅在预留出足够粘结接触表面后截断。b) “构件连接器法”：即在连接处内衬一根小直径短杆或外套一根大直径短杆，形成构件连接器。2)

8、 受压节点结构构件一般具有足够的强度，在保证稳定性的前提下，其受压性能一般完全能满足受力需要。受压节点较受拉节点来说，抵抗破坏的能力也较好。在制作时，压节点基本要领时：保证节点处各杆件轴线处于同一平面内，且受压接触面务必充分接触。3) 交叉节点交叉节点在立体结构中较为常见，如高层建筑模型等，在桥梁结构中，一般为桥面系设计中的纵横梁交叉。在制作时在接触点分别开出槽口，然后将二者充分咬合连接。槽口的开挖方法有各种形式，需根据具体情况选用。第2章 设计计算1 基本假定及模型建立1）模型计算求解时所有节点连接均为刚接；2）各个杆件截面均假设为方形；3）各杆件均假设为直立杆，无弯曲；4）假设杆件受力时，

9、假设强度可充分发挥，各杆强度一致；5）假设各杆件尺寸即为设计尺寸，无偏差。以此建立结构模型，并运用结构模型求解器求解模型各部分受力图。2 计算参数1）材料弹性模量Es取；2）惯性矩取0.002133；3）截面面积取；以此带入结构模型求解器求解模型各部分受力图。3 结构模型建立4 内力、承载力计算分析*节点位移* 节点号-UX(x方向位移)-UY(y方向位移)-(转角) 1 -2.70581078e-19 -4.64329253e-16 7.99213718e-15 2 4.57087295e-01 -9.39785687e-01 -7.96052567e+01 3 3.16762545e-19

10、 -5.81727293e-16 -2.14870415e-16 4 9.19421239e-01 -5.81736986e-01 1.05902839e+00 5 3.93215076e-01 -1.04015374e+00 5.34336679e+01 6 7.80846010e-01 1.22379806e-01 1.05832083e+00 7 3.74844891e-01 -1.05396941e-01 -9.42151244e+00 8 6.98416744e-01 5.93092506e-01 -2.69365098e-01 9 3.77634716e-01 3.81625188

11、e-01 1.00913319e+00 10 5.87746662e-01 1.21816693e+00 3.79935495e-02 11 3.78982301e-01 8.83406077e-01 -7.10597508e-02 12 3.78884865e-01 1.21812313e+00 8.12103470e-03 *内力* - -轴力- -剪力- -弯矩-单元 1*结点 1* -2.34937449e-14 2.07413544e-13 1.68211994e-11 *结点 3* 2.34937449e-14 -2.07413544e-13 8.06842583e-12单元 2*

12、结点 4* 1.55129863e+04 1.26705435e+01 1.51683351e+03 *结点 3* -1.55129863e+04 -1.26705435e+01 7.63864325e+02单元 3*结点 4* -5.76193956e+02 8.77060169e+00 1.26193974e+03 *结点 1* 5.76193956e+02 -8.77060169e+00 6.35431508e+02单元 4*结点 2* 1.50365710e+04 -3.39583026e+02 -6.79172551e+04 *结点 1* -1.50365710e+04 3.3958

13、3026e+02 -3.39576526e+04单元 5*结点 2* -2.08570487e+03 -1.04721055e+03 -1.19274415e+05 *结点 4* 2.08570487e+03 1.04721055e+03 -5.84431077e+04单元 6*结点 2* 2.55488876e+03 1.43022446e+04 1.87191670e+05 *结点 5* -2.55488876e+03 1.56977554e+04 -2.70922317e+05单元 7*结点 4* 1.83366702e+04 1.45267768e+03 5.92318844e+04

14、*结点 5* -1.83366702e+04 -1.45267768e+03 1.15089437e+05单元 8*结点 7* 1.10221108e+03 2.63891480e+03 5.52803045e+04 *结点 5* -1.10221108e+03 -2.63891480e+03 1.55832879e+05单元 9*结点 7* -3.13723793e+03 -1.54543820e+02 -1.57944331e+04 *结点 4* 3.13723793e+03 1.54543820e+02 -6.49419360e+03单元 10*结点 6* 5.24582571e+02

15、4.23429599e+01 2.92598850e+03 *结点 4* -5.24582571e+02 -4.23429599e+01 2.92664363e+03单元 11*结点 6* -3.45122285e+02 -2.59176353e+02 -8.40935204e+03 *结点 7* 3.45122285e+02 2.59176353e+02 -2.04530407e+04单元 12*结点 9* -1.11592986e+02 -2.24511482e+02 -7.90854715e+03 *结点 7* 1.11592986e+02 2.24511482e+02 -1.90328

16、307e+04单元 13*结点 9* 2.93000916e+02 5.93291389e+01 3.39709566e+03 *结点 6* -2.93000916e+02 -5.93291389e+01 3.45162830e+03单元 14*结点 8* 2.86554235e+00 2.24376908e+01 5.61602621e+02 *结点 6* -2.86554235e+00 -2.24376908e+01 2.03173525e+03单元 15*结点 8* 4.92360717e+01 3.37730130e+01 6.42502892e+02 *结点 9* -4.923607

17、17e+01 -3.37730130e+01 2.43697046e+03单元 16*结点 11* -5.41969867e+01 2.50579153e+01 9.16181147e+02 *结点 9* 5.41969867e+01 -2.50579153e+01 2.07448104e+03单元 17*结点 11* 7.39589478e+00 -1.26058938e+01 -5.26530988e+02 *结点 8* -7.39589478e+00 1.26058938e+01 -7.72762157e+02单元 18*结点 10* 3.98067891e+01 -3.96884470

18、e+00 -1.73030544e+02 *结点 8* -3.98067891e+01 3.96884470e+00 -4.31343356e+02单元 19*结点 10* -5.26691203e+01 -1.76446254e+00 -1.01764755e+01 *结点 11* 5.26691203e+01 1.76446254e+00 -1.57256261e+02单元 20*结点 12* 5.79904701e+00 -4.20507413e+00 -1.06745331e+02 *结点 11* -5.79904701e+00 4.20507413e+00 -2.32393898e+

19、02单元 21*结点 12* 4.20507413e+00 5.79904701e+00 1.06745331e+02 *结点 10* -4.20507413e+00 -5.79904701e+00 1.83207020e+02根据以上内力求解数据可知（9）号杆件的内力最大，而（5）和（16）号杆件的弯矩最大。因此，我组在结构设计制作时，将这几根杆制作的强度比较高。第3章 总结与感悟1 本结构主要是利用矩形结构承受竖向压力作用，桥体设计成梯形结构承受二三级荷载的压力和弯矩作用。2 本结构利用了纸筒抗拉能力强的特性来做桥面受弯时的拉杆。竖向支撑杆件可以做成空心来节省材料，承受的压力也不会因此而减小。3 根据理论分析，我组之所以选择三角形作为主体结构是因为三角形具有稳定性，制作简单方便，承压能力强。在此次工程训练活动中，我们积极搜集整理各种资料，学到了不少课堂上无法学到的知识，使我们更好的把课堂理论知识运用于实际。通过此次活动，锻炼了我们的创新思维，提高了我们动手动脑能力和解决问题的能力，使我们懂得了团队合作的重要性，获得了合作的快乐。