纸质结构模型设计方案书.docx

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纸质结构模型设计方案书

工程训练

（2013-2014学年第一学期）

题目:

世纪大桥——纸结构模型设计

学科部名称:

理工学科部

专业、班级:

土木112班

姓名（学号）:

指导教师:

丁声荣

世纪大桥

理论分析计算书目录

一设计说明·······································1

二方案构思及可行性分析···························1

三模型三面透视图（实物图）·······················2-3

四主要构件、结点详图

主要构件图····································4

构件细部图··································4-6

结点详图····································6-11

五模型荷载分析、内力分析及承载能力估算

内力分析·····································12

荷载分析·····································12

承载能力估算······························12-13

六实际制作

杆件的制作···································13

结点连接处理·································13

七加载实验（附组员和模型照片）···············13-17

八分析与总结···································17

一设计说明

根据工程训练任务书的要求，我们组从模型制作的材料抗压特性、抗拉特性和静力加载形式等方面出发，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，白乳胶以及热熔胶等材料制作了该模型——世纪大桥

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，我组最后决定采用三角形作为主要承重结构，取模型高度为300mm,跨度为700mm，整体长度1190mm，宽度200mm。

整体采用纸筒结构，中间倒V字型杆件角度为98°47′51″，符合结构要求。

由于加载位置位于结构中心100mm宽度，220mm长度的范围里，因此加载位置必须要有做够的强度来支撑，将三角形的一个点来承受荷载，另外两条斜边将荷载传到地面，三角形最下面一条边用于锁住两条斜边，保证整个结构在加载的过程中不会发生较大变形以致破坏无法继续加载。

同时承受荷载的杆件必须足够的结实。

这就要求我们在卷纸杆件时必须紧实。

我们整个结构都采用三角形，这样可以使结构的整体性得到保证。

在构件的连接方面，我们采用的是热熔胶，这种胶有很强的粘附性，并且在胶冷却之后能够使纸质杆件之间以及杆件和胶有很好的连接强度和刚度，这样，我们结构的整体稳定性和刚度能得到进一步提高，这是非常好的。

三模型三面透视图（实物图）

俯视图

主视图

右侧视图

左侧视图

四主要构件、节点详图

构件细部图

节点详图

五模型荷载分析、内力分析及承载能力估算

在这部分，我组利用SM-Solver这款软件辅助计算杆件内力。

结构模型见下图

根据承载方式，承载台是压在结构中间的，承载台宽度为100mm，长度为220mm。

我组的结构能够让承载台稳定地放置。

1内力分析

内力计算

杆端内力值（乘子=1）

--------------------------------------------------------------------------------------------

杆端1杆端2

----------------------------------------------------------------------------------

单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩

--------------------------------------------------------------------------------------------

10.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000

2-0.00146484-0.002817520.00000000-0.00146484-0.00281752-0.56350414

3-0.065185550.00667005-0.56350414-0.065185550.006670051.77101301

4-0.06811523-0.006670051.77101301-0.06811523-0.00667005-0.56350414

5-0.004394530.00281752-0.56350414-0.004394530.002817520.00000000

60.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000

70.003906250.000000000.000000000.003906250.000000000.00000000

8-0.009487570.579181790.00000000-0.009487570.5791817917.3754537

9-0.00948757-0.0643535317.3754537-0.00948757-0.064353530.00000000

10-0.760009770.000000000.00000000-0.760009770.000000000.00000000

11-0.756042500.000000000.00000000-0.756042500.000000000.00000000

12-0.00948757-0.579132270.00000000-0.00948757-0.57913227-17.3739682

13-0.009487570.06434803-17.3739682-0.009487570.064348030.00000000

140.003430580.000000000.000000000.003430580.000000000.00000000

150.643310550.000000000.000000000.643310550.000000000.00000000

--------------------------------------------------------------------------------------------

根据以上内力求解数据可知（10）和（11）号杆件的内力最大，而（9）和（13）号杆件的弯矩最大。

因此，我组在结构设计时，将这四根支撑杆件以及两根纵向主杆卷得非常紧而且粗。

2荷载分析

作用在桥面上的是静荷载，而且是逐级加载的，作用点在模型的中点。

力通过两根主斜杆传到接触面，由于斜杆上的力在地面接触点会分解成为垂直于接触的压力以及平行于接触面的分立。

垂直与接触面的压力可以直接将荷载传递给接触面，而水平分力则会使两根主斜杆向两侧移动，这时就需要设置在底部的拉杆来锁住斜杆，柱子则可以顶住斜杆，以减小斜的杆侧向位移。

四根柱子除了有支撑起全部结构的作用外，还要承受很大的弯矩作用，所以在制作模型时，连接点的热熔胶涂得非常均匀切密实以增强整体性。

3承载能力估算

根据内力计算以及模型做成之后的预压，预计承受3KN以应该上没问题。

下图是组长坐在模型上的情况，体重62KG。

经检查，模型挠度小，没有达到25mm上限。

六实际制作

1杆件的制作

根据设计图纸，全模型由37根杆件构成。

其中，两根纵向主杆由4张A0图纸卷成，四根斜杆由20张A2图纸卷成，四根柱子由20张A3图纸卷成，四根细斜杆由8张A3图纸卷成。

其余的杆件由A4或A3卷成。

在卷杆件时先用A4纸做好内芯，3个组员一起卷，1个组员按住纸，这样在卷大杆件的时候就容易很多，也卷得紧。

每卷一张图纸时，在开头和结尾处都涂有白乳胶，并且等胶干得差不多时再卷下一张。

这样不但可以降低废品率，而且有利于增加杆件强度。

2结点连接处理

我组根据结点详图来经行切割，使杆件之间的截面接触紧密。

在杆件连接顺序方面，先将桥面所有杆件粘结好，再将四根竖杆粘上去，接着再粘四根主斜杆，然后再将各种小杆件粘上去构成一个整体，最后在每一个结点补好胶就完成啦！

七加载实验

加载实验在土建1楼加载实验室里进行，自重21.8N，应该算是最重的了。

话不多说，加载正式开始。

见下图：

荷载位移曲线图形如下

由上图可知在模型加载处竖向位移为22mm的时候结构发生破坏，还没达到25mm。

经检查发现是下面拉杆与竖杆连接处发生破坏。

破坏点处的热熔胶没有连成整体，导致受拉力过大而破坏。

破坏点见下图

最终在破坏时承受的最大荷载为2851.6N。

见下图

附上全组成员和模型的合影

八分析与总结

1本结构主要是利用两个三角形来承受竖向静荷载的作用。

2本结构利用了纸筒抗拉能力强的特性来做底部拉杆。

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，融洽了生生和师生关系。