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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1

1作品简介1

1.1基本参数1

1.2设计思路1

2结构选型1

2.1模型结构选择1

2.2材料截面选择2

2.3模型结构图3

图1正视图3

图二俯视图4

图三侧视图4

3节点处理及制作4

3.1杆件拼接连接4

3.2节点连接4

第二章设计计算6

1基本假定及模型建立6

1）模型计算求解时所有节点连接均为刚接；6

2）各个杆件截面均假设为方形；6

3）各杆件均假设为直立杆，无弯曲；6

4）假设杆件受力时，假设强度可充分发挥，各杆强度一致；6

5）假设各杆件尺寸即为设计尺寸，无偏差。

6

2计算参数6

3结构模型建立7

4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120×120mm，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2.5kg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

2.1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）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，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）-----φ（转角）

1-2.70581078e-19-4.64329253e-167.99213718e-15

24.57087295e-01-9.39785687e-01-7.96052567e+01

33.16762545e-19-5.81727293e-16-2.14870415e-16

49.19421239e-01-5.81736986e-011.05902839e+00

53.93215076e-01-1.04015374e+005.34336679e+01

67.80846010e-011.22379806e-011.05832083e+00

73.74844891e-01-1.05396941e-01-9.42151244e+00

86.98416744e-015.93092506e-01-2.69365098e-01

93.77634716e-013.81625188e-011.00913319e+00

105.87746662e-011.21816693e+003.79935495e-02

113.78982301e-018.83406077e-01-7.10597508e-02

123.78884865e-011.21812313e+008.12103470e-03

******内力*****

-------------------------------------------轴力-----------------剪力---------------弯矩-------

单元1**结点1******-2.34937449e-142.07413544e-131.68211994e-11

***********结点3******2.34937449e-14-2.07413544e-138.06842583e-12

单元2**结点4******1.55129863e+041.26705435e+011.51683351e+03

***********结点3******-1.55129863e+04-1.26705435e+017.63864325e+02

单元3**结点4******-5.76193956e+028.77060169e+001.26193974e+03

***********结点1******5.76193956e+02-8.77060169e+006.35431508e+02

单元4**结点2******1.50365710e+04-3.39583026e+02-6.79172551e+04

***********结点1******-1.50365710e+043.39583026e+02-3.39576526e+04

单元5**结点2******-2.08570487e+03-1.04721055e+03-1.19274415e+05

***********结点4******2.08570487e+031.04721055e+03-5.84431077e+04

单元6**结点2******2.55488876e+031.43022446e+041.87191670e+05

***********结点5******-2.55488876e+031.56977554e+04-2.70922317e+05

单元7**结点4******1.83366702e+041.45267768e+035.92318844e+04

***********结点5******-1.83366702e+04-1.45267768e+031.15089437e+05

单元8**结点7******1.10221108e+032.63891480e+035.52803045e+04

***********结点5******-1.10221108e+03-2.63891480e+031.55832879e+05

单元9**结点7******-3.13723793e+03-1.54543820e+02-1.57944331e+04

***********结点4******3.13723793e+031.54543820e+02-6.49419360e+03

单元10**结点6******5.24582571e+024.23429599e+012.92598850e+03

***********结点4******-5.24582571e+02-4.23429599e+012.92664363e+03

单元11**结点6******-3.45122285e+02-2.59176353e+02-8.40935204e+03

***********结点7******3.45122285e+022.59176353e+02-2.04530407e+04

单元12**结点9******-1.11592986e+02-2.24511482e+02-7.90854715e+03

***********结点7******1.11592986e+022.24511482e+02-1.90328307e+04

单元13**结点9******2.93000916e+025.93291389e+013.39709566e+03

***********结点6******-2.93000916e+02-5.93291389e+013.45162830e+03

单元14**结点8******2.86554235e+002.24376908e+015.61602621e+02

***********结点6******-2.86554235e+00-2.24376908e+012.03173525e+03

单元15**结点8******4.92360717e+013.37730130e+016.42502892e+02

***********结点9******-4.92360717e+01-3.37730130e+012.43697046e+03

单元16**结点11******-5.41969867e+012.50579153e+019.16181147e+02

***********结点9******5.41969867e+01-2.50579153e+012.07448104e+03

单元17**结点11******7.39589478e+00-1.26058938e+01-5.26530988e+02

***********结点8******-7.39589478e+001.26058938e+01-7.72762157e+02

单元18**结点10******3.98067891e+01-3.96884470e+00-1.73030544e+02

***********结点8******-3.98067891e+013.96884470e+00-4.31343356e+02

单元19**结点10******-5.26691203e+01-1.76446254e+00-1.01764755e+01

***********结点11******5.26691203e+011.76446254e+00-1.57256261e+02

单元20**结点12******5.79904701e+00-4.20507413e+00-1.06745331e+02

***********结点11******-5.79904701e+004.20507413e+00-2.32393898e+02

单元21**结点12******4.20507413e+005.79904701e+001.06745331e+02

***********结点10******-4.20507413e+00-5.79904701e+001.83207020e+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。