单跨简支结构设计计算书word版.docx
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单跨简支结构设计计算书word版
单
跨
简
支
结
构
设
计
计
算
书
1.结构选型
1.1方案构思
本次比赛题目为“纸质单跨简支结构设计”，根据竞赛规则要求，设计的结构模型要考虑在静荷载作用下的承载能力，要求在保证结构强度、刚度和稳定性的前提下，设计出模型结构合理、材料利用率高、承载能力大的方案。
因此，方案构思从结构强度、静力稳定性及结构优化等方面，对结构形式进行遴选。
本次竞赛的纸质单跨简支结构模型主要承受竖直静荷载，竖直荷载较容易满足，加载时可能会由于偏载产生侧向倾覆，则要求结构有一定的抗倾覆能力。
作品命名为凌空越阻，他不仅寓意着我们设计的结构可以跨过前进道路上的任何阻碍，也寓意着我的的团队可以冲破阻碍取得胜利。
因、本作品主要靠两个拱来承受并传递压力。
。
因此，我队模型方案构思总体说明如下：
（1）我组采用拱形结构，主承重拱采用2根940*8mm的拱形构件和2根940*5的受拉杆件。
（2）节点处采用锚固的方式来保证力能够很好的传递。
（3）侧向采用15*4mm横杆固定在主承重柱上起到抗扭抗侧向位移作用。
1.2结构选型
按设计要求，模型加载试验采用跨中静力加载，加载的同时，测量结构跨中的竖向位移。
每级加载有效持续时间15秒。
每件参赛模型共有4次加载机会。
其中前2次加载的荷载必须按照计算书方案进行，后2次加载荷载可根据现场情况进行适当调整。
加载只能单调增加荷载，不允许先卸载后加载。
每级加载后，必须持荷15秒以上（不含15秒）方能继续下一级加载。
此外，在同一级荷载加载过程中，每次加载砝码的间隔必须小于5秒。
每个参赛模型最大加载荷载不能超过120Kg。
现场提供1-20Kg不同等级砝码。
以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率；
为了使结构更加的稳定和行走更加便利，在制作过程中我组的制作工艺更加精细，经过实验，最终选定现在的结构，我们组结构设计为了美观性，将结构设计成拱形增加了美观性，同时我们经过计算，此拱形不但增加了美观性，而且受力合理。
1.3结构特色
在遵守原则的前提下，我们综合考虑各个因素设计具有以下四个创意点：
（1）创意点一
根据静载的分布规律，将结构设计成拱形，使其在上部承受压力下部承受拉力，充分利用材料的抗拉强度。
（2）创意点二
考虑材料抗拉性能良好，结合材料的力学性能，我组设计结构为拱形，增强结构的承载能力。
（3）创意点三
各杆件根据其所在位置不同和其所受力的大小采用不同的截面形式以达结构所需的强度。
（4）创意点四
我们组结构设计为了经济性和美观性，将结构设计成拱形，同时我们经过计算，此拱形不但实现了经济性和美观性，而且充分发挥了材料的力学性能。
依据以上创意点加上精细的制作环节，我们制作出的结构荷质比相对可以较高。
本结构是在我们制作结构对结构进行试验的多次循环反复而后的出来的结构，它凝聚了所有的试验所得的经验。
它的优点：
（1）从结构的外形上看，我们选择由拱作为主体形状，受力均匀并且结构稳定性强。
（2）符合设计理念，并能承受住较大的荷载。
（3）构件之间相交时，节点通过锚固连接，用乳白胶加固，这大大提高了斜杆的稳定性和强度以及杆间的黏结力。
2.结构设计
2.1结构外形设计
模型纵向长度大于940mm，模型的外轮廓横向宽度160mm。
模型高度在280mm，结构采用弧形框架加强稳定性和抗弯性。
2.2截面组合设计
我们用杆件受主要荷载，后通过拱形将力传给底部受拉杆件。
主体承力弧形杆由横截面为直径是8mm的空心杆件，杆与杆之间主要靠锚固形式连接。
各杆件截面的组合形式及尺寸见表1所示。
表1构件截面组合形式
杆件号
截面形状
尺寸直径（mm）
长度（mm）
数量
1
8mm
940mm&410&50mm
D=10mm
2根&4根&4根&2个
2
8&6mm
410mm&160mm
2&4根
3
8&6mm
280mm&160mm
各2根
2.3节点设计
主体框架结构相交的节点由于杆在加静载时会引起较大的剪力，故用锚固连接
图2-1（楔形结连图示比例30mm：
35mm）
3.结构静力分析
2.1、计算简图
2.2、内力分析
在受到荷载时，底边两根纸带受到拉力，各杆件收到轴力、剪力和弯矩。
由结构力学求解器求得：
在荷载作用在四根倾斜柱子端点位置时结构内部弯矩如图所示：
此时，结构内部的轴力如图：
剪力图如下：
四根倾斜杆件横截面图：
连接四根倾斜杆横向水平细杆横截面
位移计算图
查资料得：
250g的白卡纸的厚度为0.33mm，抗压强度许用值为7.0N/mm2，抗拉强度许用值为22.2N/mm2,弹性模量为1400N•mm2
2.3、内力计算：
对于四根倾斜杆：
若承受50kg重物的压力，则每根杆分得的压力为125N
轴力
杆件横截面面积：
A
杆件伸缩量：
可忽略不计
杆实际能承受重力：
杆能承受的竖向荷载：
远大于125N
对于杆件失稳情况：
惯性矩I=
此时，杆件在不失稳的情况下能承受最大力为：
大于125N
对于横细杆可承受最大轴压力：
远大于125N
所以构件十分安全
4.模型成品图
5模型制作及加载
1.在制作过程中，先将各个杆件制作好。
2.然后所有成员一起粘接杆件。
3.最后组合各个杆件在一起从高跷底部从下往上粘接。
4.结构模型加载台系统示意图
结语
1、本结构主要是利用杆的拉力来抵抗荷载的作用。
2、本结构利用纸条的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。
3、根据分析的结论，我们选择拱形作为主体截面形状，工艺简单，受力均匀。
4、根据模型的受静荷载，我们改造出弧形杆，弧形杆成为我们结构一大特色。
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