竹皮结构参考手册第二版.docx
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竹皮结构参考手册第二版
竹皮结构设计与制作
参照手册
（第二版）
学校：
中国石油大学（华东）
专业：
土木匠程系
指导老师：
杨文东
编制人员：
邹翼程玉珍王庆
曹文邹鹏宇
2017年4月1日
参照论文：
《竹皮结构设计与制作剖析》
前言
为了迅速提升参赛选手在大学生结构设计比赛上的竞争力，依靠国家级大学生创新创业
训练计划项目（项目名称：
木质双塔连体结构优化设计与制作：
项目编号：
201610425042）
由我校参加华东地域第十二届大学生结构设计比赛的指导老师和比赛选手构成编写小组，编制了《竹皮结构设计与制作参照手册》。
在编制过程中，总结了华东地域第十二届大学生结构设计比赛的比赛经验及模型的制作技巧。
本参照手册不过初步对杆件性能、模型设计和制作技巧进行总结，还有大批的后续工作仍待此后的参赛选手和老师进行增补与订正。
比赛模型为木质双塔连体结构，采纳竹皮资料制作，模型由主塔楼和连廊共同构成，模型制作达成后，与木质底板固定，木质底板采纳夹具固定于加载台长进行加载。
图1为连体结构模型表示图。
赛题详细要求见附录。
图1
1资料与工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
1.1资料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
1.2
工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
2
构方法浅析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
2.1
构型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
2.2构剖析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
3
构的制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
8
3.1
制作先期准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
3.2
制作工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11
4构件与构的化与新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
4.1
构件的化与新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
4.2
构的化与新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20
4.3构的化想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26
致⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26
附第十二届构大⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27
1
1资料与工具
1.1资料
竹皮
有以下三种规格：
竹材规格
样式
本色侧压双层复压竹皮
本色侧压双层复压竹皮
本色侧压双层复压竹皮
力学性能参照值：
弹性模量1.0x10^4MPa,抗拉强度60Mpa，抗压强度20MPa，泊松比
1.1.2502胶水
（1）应选择质量较好的胶水。
502胶水的质量错落不齐，选择一种能瞬粘且粘性强的胶水对模型制作有很大的帮助。
（2）502胶水同铁制品的粘结力衰，在制作杆件时，可在下方铺铁皮或其余铁制品，以防杆件与桌面粘接及桌子的破坏。
2
1.2工具
砂纸打磨杆件端部，获取所需要的杆件精准尺寸
打磨结构节点处接触面以增添接触面积
橡皮、直尺、铅笔在竹皮上绘制杆件平面设计图
剪刀、美工刀切割修剪资料
镊子用以夹持渺小构件，防备胶水粘手
橡胶手套防备双手（也能够用胶布环绕指尖）
3
2结构设计方法浅析
设计模型前应付赛题有充足的认识，包含所使用资料的力学性能（如竹皮的顺纹抗拉强
度优胜），模型的加载方式及其比赛得分算法（重要）。
2.1结构选型
结构采纳竹皮作为资料，结点粘接较为
坚固，且在实质制作中结点可增强办理，因此
结点可视为刚结点。
赛题要求该结构拥有必定
竖向承载力的同时拥有较大的抗侧刚度，下边
以结构的抗侧力构件为例，论述结构选型过程
上当算机协助设计的方法。
选择知足赛题要求
的抗侧力构件如图2所示，分别为纯矩形刚架、
三角刚架及内部设置斜杆的矩形刚架。
图2结构抗侧力构件
2.1.1抗侧力构件的定性剖析
纯矩形刚架其侧向位移主要源于竖杆的曲折变形，其内部无抗侧力杆件，固然节俭资料但抗侧刚度较小。
三角刚架其侧向位移主要源于斜杆的拉压变形，能节俭资料的同时抗侧刚度较大。
内部设置斜杆的矩形刚架其侧向位移根源主假如斜杆的拉压变形及竖杆的曲折变形，其抗侧刚度相同较大，但所需资料许多。
2.1.2抗侧力构件的定量剖析
假设杆件截面如图3所示，经过结构力学求解器简要剖析知足赛题要求的结构抗侧构件，
剖析数据如图4。
可经过指定点的位移大小及构件质量（正比于杆件长度总和）进行抗侧构
件合理性的定量判断。
求解器所需的截面力学性能参数计算：
EA=20×10-6×1010=2×105Pa
I=10××2×52+1××103×2=333mm4
12
-12×1010
·
m
2
图3假设杆件截面图
EI=333×10
=3.33N
4
三种抗侧力构件的质量比（构件长度比）：
在单位力下极点的水平位移比值为：
能够看出，纯矩形刚架固然质量较小，但
因为荷载条件下其水平位移大，抗侧刚度远小
于其余两种抗侧力构件，因此第一进行裁减。
再来定量比较三角刚架和内部设置斜杆的矩
形刚架，因为模型加载的最后得分同模型的质
量和丈量点发生的位移之积成反比。
则估量采
用三角刚架与采纳内部设置斜杆的矩形刚架
做为抗侧力构件时模型得分之比为：
1.82×0.67：
1×1=1.22:
1
因此选择三角刚架作为模型的抗侧力构件
图4抗侧力构件剖析图时模型的得分可能更高。
结构的剖析
模型的抗侧力构件确立后进一步进行模型结构的剖析：
选用图5所示的结构进行比较。
2..2.1结构的定性剖析
竖向荷载加载剖析:
结构一竖向承重构件跨度较小，采纳连续梁来蒙受竖向荷载，不单有效减小了跨中弯矩的大小，还使横梁受力更加均匀。
该结构拥有必定的竖向抗弯刚度。
结构二竖向承重构件跨度较大，采纳组合结构来蒙受竖向荷载，极大地增添了却构的竖向抗弯刚度，且结构受力更加均匀。
水平荷载加载剖析:
结构一的抗侧力构件为与水平荷载平行的内部设斜杆的矩形刚架，但因为赛题限制，该结构第一层有一部分不可以设置斜杆，因此在该平面内的抗侧刚度明显降低。
而结构二的抗侧力构件除了与水平荷载平行的三角刚架外，还有与水平荷载垂直的三角刚架,其抗侧刚度远大于结构一。
5
此外，结构二抗侧力构件设置的竖杆数目为结构一的两倍，而结构一内部设置许多斜杆，固然没法定性判断结构一与结构二的质量大小，但依据结构二优胜的竖向抗弯刚度和抗侧刚度可以为结构二更加合理。
图5.1模型结构一表示图图模型结构二表示图
2.2.2结构的定量剖析
剖析方法:
借助CAD3D协助设计迅速达成模型单调杆件的创立，并进行抽壳办理，
使杆件形式同实质杆件相吻合。
而后采纳布尔运算将模型合成整体后删去剩余的线面，形成
sat文件。
再导入ANSYS内，在模型上施加吻合赛题要求的荷载，采纳拥有20节点的solid95
单元求解。
求解后，经过模型的受力变形能够展望模型的位移，经过模型的体积比能够展望结构的质量比，以此来定量权衡模型的优胜。
需要注意的是：
建模过程中模型结点处应连续
无突变，以防止智能区分网格过密，致使求解困难。
此外因为ANSYS自己没有单位设置，CAD导出的模型尺寸默认单位一般为mm，应注意单位之间的换算。
剖析数据:
结构的剖析数据如图6。
强度校核
采纳第四强度理论显示应力云图。
从中能够看出，结构一在竖向荷载下最大应力较大，
高达55MPa，靠近竹皮资料的极限抗拉强度60MPa。
说明其竖向承重构件设置不合理。
结构二最大应力均不超出23MPa，能知足强度要求。
6
图6结构剖析数据图
模型得分比较
结构一与结构二的质量等于其体积比。
质量比为：
268492:
285933=0.94：
1
7
假设经过不一样加载要求的最轻模型重量一致，经过位移及质量计算模型的得分比：
竖向荷载作用下得分：
结构一20；结构二20×
水平力作用下得分：
结构一25；结构二25××
水平扭矩作用下得分：
结构一30；结构二30××
结构一总分：
20+25+30=75
结构二总分：
模型得分比：
结构一：
结构二=75：
188.2=1：
从模型的可能得分上看，结构二显然优于结构一，所以选择结构二作为模型结构的最后形式。
3结构的实质制作
3.1制作先期准备
确立模型的结构形式后就能够开始模型的实质制作。
如图7，经过CAD3D建模导出模型
的三视图及轴测图，以对模型的外轮廓产生直观印象。
此外，经过单调杆件的放样可提取杆
件的外轮廓尺寸并在平面内进行睁开，获取杆件的平面设计图9。
图9中总合有12类杆件，
各个杆件所处的地点和所需的数目可经过模型轴侧图及杆件平面设计图参照得出。
这类经过
放样制作杆件的方法保证了杆件制作的精准尺寸，在制作异型结构模型时，解决了模型结构
复杂时所需面对的制作工艺繁琐的难题，为优秀的结构设计的实质制作供给了保障。
此外，
制作达成的杆件基本上无需打磨就能达成结构的装置，在防止了装置应力的产生的同时，极
大地加速了模型的制作速度，提升了模型制作的质量。
8
图7结构三视图及轴测图
图8经过放样制作的杆件及拼装的结构
9
注：
平面设计图中绿色、黄色、青色与蓝色部
分为杆件的四周竹皮，红色部分为需要裁剪掉
的竹皮。
此外，为防备加载过程中杆件因为加
载处局部压应力过大而破坏，杆件内部进行了
局部加肋办理。
图9杆件平面设计图
10
3.2制作工艺
3.2.1杆件的结构形式
杆件的结构形式（借鉴钢结构，未实测）
认识各样杆件截面形式的优弊端，选择适合的截面形式。
本次模型的杆件结构形式
本次模型采纳内部加肋的杆件形式，杆件成效图及内部肋的图片以下。
杆件成效图
杆件内部肋的形式
实物图
12
3.2.2杆件制作方法
以本次杆件制作为例，详细制作方法以下。
1杆件外皮
①用铅笔绘制外皮轮廓。
②经过剪刀或夹板刀沿轮廓线裁断。
③因为竹皮质地粗拙，将裁剪完的竹条用砂纸打磨，打去竹皮的毛边，这样便于502胶的粘合。
13
④轻轻划过外皮四个面之间的空隙，沿划过的印迹轻轻折起外皮，方便杆件粘合。
但不要完好裁断，以保存部分强度，防备杆件受力时外皮之间崩开。
2杆件内部肋
①画出要制作肋的形状，沿肋的宽度方向轻轻刻划，不需刻断（方便折叠）。
②沿长度方向裁下肋条，并将肋依照最后形状折好，待用。
14
3杆件的粘接
①粘接时借助镊子摆好肋后即可滴胶，注意胶水用量切勿过多，以防增添杆件不用要的重量。
②为增添节点处的接触面积，增添杆件的强度，可在杆件端部加一横隔。
15
3.2.3模型的整体拼装
1杆件的准备
确立全部种类杆件的根数及制作质量无误后，即可开始模型整体拼装。
建议制备杆件时，可多做几根同种类的杆件备用，拼接模型时能够采纳优良的杆件。
2基本构件的拼接
①先将基本构件所需拼接的地点用铅笔标志，后拼接。
拼接时下部可铺设胶带一层，防备构件与桌子相连。
且拼接杆件时注意依据内部肋的方向及杆件的受力形式确立杆件的搁置方式。
16
②拼接中不易粘合的结点可加竹皮，增添接触面以加大节点强度。
3模型的整体拼装
将杆件的定位标志画在最薄的竹皮纸上，待模型粘接完成后拆下即可。
结构拼接时需要多人共同合作达成。
精准定位每根杆件的地点，防止在拼接时产生不用要的装置应力，影响结构受力性能。
17
3.2.4模型的结点办理
1模型结点空隙的填塞
杆件的尺寸同设计要求不免存在偏差，所以杆件的连结处也不免存在缝
隙，这时将空隙用竹皮填满，滴上502胶水即可。
因为502胶水的强度高于竹皮强度，这样做能够增强结点的连结。
2模型结点的增强
有时模型结点受力较大且受力复杂，为防备节点的破坏，可于节点处进行增强办理。
18
4构件与结构的的优化与创新
4.1构件的优化与创新
4.1.1杆件的研究说明
①杆件的受弯性能
模型加载中，竖向荷载下主梁的受弯承载力需达到要求，此外，水平荷载下结构的位移量与柱的抗弯刚度也亲密有关，所以主要研究杆件的受弯性能。
②杆件的尺寸
估计蒙受竖向荷载主梁的长度为400mm,所以杆件的研究长度一律取400mm，杆件两头各取20mm固定在桌子上，经过502粘接坚固，视作固定端（实质加载中杆端竹皮会同桌面分别，杆端截面仍会转动），有益于跨中弯矩的
降低，且与实质模型中主梁受力较吻合。
此外，因为杆件内部结构方式众多，只
研究内部加肋的杆件形式。
，
杆件照片
19
③杆件的质量
模型的计分方法同模型质量有关，模型越重，计分越低，所以主要研究杆件
的承载力与质量关系。
记录杆件质量后，于杆件跨中加集中荷载，丈量杆件的受弯承载力及相应荷载下的跨中挠度。
4.1.2杆件的承载力及变形研究
①杆件内部肋的密度较稀少时，取不一样截面尺寸的杆件研究。
②将杆件内部肋的密度加大，研究肋的密度对杆件承载力的影响。
还研究了
工字钢杆件性能。
肋较密集的杆件加载图片
工字钢杆件加载图片
20
加载数据记录表①
杆件承载力
跨中受集中/N（杆件拉
均匀跨杆件平
跨中弯
边长/mm杆件编号
质量/g
力6.3N，跨断或跨中挠
均匀质
矩计算
中挠度均承载
中挠度/mm度超过
量/g
值N-mm
/mm力/N
10mm）
1
7×7（三
2
面）
3
4
5
6
7×7
7
8
5
9
10
9×9（三
11
面）
12
13
5
14
9×9
15
16
17
11×11
18
（五面）
19
20
11×11
21
22
23
13×13
24
25
（五面）
26
27
28
13×13
29
30
31
加载数据表②
21
跨中承
承载
载
边长
力时位
/mm
集中力
移均值
位移
/mm
/mm
15×15
（方
形）
跨中
1/3处
加箍
15×15
（方
形）不
加箍
15×10
（矩
形）跨
中1/3
处加箍
15×15
——
（矩
形）不
加箍
15×15
工字钢
跨中承载
集中力
位移
——
承载
力时位
移均值
/mm
跨中承载
集中力
位移
/mm
——
——
——
——
——
——
——
——
——
——
——
——
——
承载
力时位
移均值
/mm
——
跨中
杆件
跨中
质量
承载
承载
杆件质量/g
力均
均值
力/N
/g
值/N
12
11
10
——
——
9
51
51
22
4.1.3杆件研究结论
①当杆件肋的密度一准时，关于四周均有竹皮包裹的杆件（包含工字钢型杆件），跨中承载力与杆件质量（边长）成一次关系，可经过该关系近似估量所做杆件的承载能力。
②当肋的密度较稀少时，三面杆件，四周杆件同五面杆件对比，承载力值
与质量值之比最高的是受压侧加厚的五面杆件，因为肋的密度稀少，当荷载加大时，起初受压侧竹皮与侧壁及内部肋分别，后上部竹皮被压曲，最后杆件丧失持续承载的能力。
杆件发生受弯破坏。
③当杆件内部肋密度加密时，杆件于蒙受荷载处发生局部受压破坏。
由“杆件承载力与质量关系图”可看出杆件的荷载值与质量值之比明显增添，说明增添肋的密度对杆件的承载能力起控制作用。
4.1.4杆件的优化建议
①当肋的密度一准时，杆件的承载能力与其质量（边长）呈正比。
而改变
肋的密度时，发现杆件内部肋的密度对杆件承载能力起控制作用，因此尽量加大杆件肋的密度能获取较为经济的杆件。
但杆件内部的肋不行能无穷加密，比方肋的密度到10mm间隔时，制作就很麻烦。
因此杆件内部肋间距为10mm是一种较优的杆件形式。
23
②还需对其余结构形式杆件力学性能进行实验研究，以获取更加经济的杆
件结构形式。
4.2结构的优化与创新—结构预应力
施加预应力能明显增大结构的有关刚度，有效减小结构的变形，对提升模型
竞争力十分有益。
下边将以模型中蒙受竖向荷载的组合结构设计过程为例，详述
预应力的施加技巧。
组合结构杆件截面尺寸如图10。
在赛题要求的竖向荷载下其计算简图及内力争如图11。
杆件截面参数在结构的选型中已进行计算，不再赘述。
受拉竹皮截面面积：
A=10×0.2=2mm2
EA=2×10-6×1010=2×104Pa
图10杆件截面设计图
图11组合结构计算简图及内力争
设计4.2.1强度校核
由内力争能够看出，各杆件剪力极小，所以在强度校核中可忽视不计，只考
虑轴力及弯矩对杆件的影响。
杆件危险截面位于计算简图中3号节点的左边，其轴力为-53.13N,截面弯矩为·m。
下部受拉竹皮只受大小为58.15N的轴力。
1验算杆件的最大正应力
3
σ杆件=
20
+333
×5×10=2.66+4.65=7.31MPa<[
压]=σ20Mpa
2验算竹皮的抗拉强度
24
σ竹皮=2=29.08MPa<[σ拉]=60MPa
4.2.2预应力技巧
1详细实行过程
如图12所示，上部压弯杆件施加与赛题方向相反的竖向荷载（实质为2N），使杆件曲折，而后在该状态下粘贴竹条，待其粘接坚固后撤去作用于杆件上的竖向荷载，此时因为杆件要恢复受弯变形，而竹皮因为受拉限制杆件的变形恢复，
所以竹皮绷紧且杆件轻轻起拱，压弯构件在加载前上表面受拉下表面受压。
经实质加载考证,蒙受竖向荷载的组合结构在施加预应力后结构的竖向变形小于，远小于山东赛区中0.55mm的竖向均匀位移，可见其成效明显。
图12组合结构预应力施加过程
4.2.3实验过程
理论计算同实质状况总有进出，实验是查验结构合理性最有效的方法。
如图
13是依照原有设计方案做成的蒙受竖向荷载的组合结构，该结构在加载过程中数次发生脆性破坏，因为破坏拥有忽然性，仅凭肉眼根本无从辨别破坏的开端点，破坏原由只得经过录制破坏过程后运用视频软件调理每一帧的画面后察看发现。
破坏的起点在于受拉竹皮的断裂：
因为竹皮粘接过程中不免会使竹皮面倾斜，蒙受荷载时，竹皮截面的拉应力并不是均匀，这与理论计算不相吻合。
而当局部拉应力超出竹皮抗拉强度时，竹皮开始断掉，而后整个组合结构破坏。
25
图13组合结构实验破坏展现
如图14为最后成功的实验方案。
采纳的解决方法为
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