第四届结构模型设计大赛磐云计算书文档格式.docx
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一、设计说明
1、材料性质
表一230克白卡纸弹性模量
名称种类
层数
弹性模量（MPa）
230克白卡纸
1
56.9
2
148.2
表二230克白卡纸极限应力
层厚（mm）
拉应力（N/mm2）
压应力（N/mm2）
备注
0.3
22.2
7.0
受压计算时需考虑长细比对稳定的影响
表三蜡线极限拉力
股数
3
4
5
6
极限力（N）
48
110
168
207
225
232
2、方案构思
结构作为建筑物的基本受力构件，它的作用主要表现为：
1、形成人类活动所需要的、功能良好和舒适美观的空间。
2、能够抵御自然的和人为的作用力，能使建筑物持久使用，并在突发偶然事件时，保持整体稳定，即为建筑结构之所以存在的根本原因。
3、充分发挥所使用材料的效能，使建筑物经济合理。
这三个主要的作用表现都在此次比赛的要求中得到了淋漓尽致的体现，也为我们方案构思的起源点。
根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性和静力加载大小要求等方面出发，充分利用杆件的抗压和绳的抗拉的特性，达到了节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的白卡纸，白乳胶和蜡绳精心设计制作了“磐云”结构模型，空间桁架结构为该模型的一大亮点。
模型需承受240N竖直静荷载，为防止横杆受力弯曲过大，决定将荷载直接加载在四个交点上。
充分发挥杆耐压的特性，纸带防止模型发生扭曲，绳主要用于承受荷载传给模型的力。
3、结构选型
依据比赛规则,为了能尽可能的使主受力构件的投影覆盖整个圆,我们起先考虑的是平板网架结构（如图-1）和三角锥网架结构,（如图-2）,都是二力杆件,便于内力分析,缺点就是自重大,制作繁杂,而且节点的强度难以保证.而后我们考虑做成四棱锥,省去多余约束,仅保留主受力构件,为了满足杆件的抗剪强度,必须加厚直筒,斜撑倾角过小,不能充分发挥圆柱的抗压特性,所以综合考虑之后,我们选择了四棱台型的空间桁架（见图-3）,并选择三角形为结构单元，受力均匀，便于白卡纸性能的发挥，节点内部由纸筒两两相穿连接。
图—1三角锥网架
图—2平板网架受力分析
图—3模型桁架简图
材料截面选择：
主体承重柱子截面为四根直径14mm的圆筒和上层外径为12mm的圆柱型连杆粘接而成，保证抗压的同时减轻材料的质量。
节省材料，整体稳定。
4、结构特色
①节点设计：
就本次结构设计竞赛而言，其加载上限仅为24kg，故模型结构设计时采用的就是减少多余约束的个数，提高节点连接的强度。
通过连接件连接（见图-4），这种连接方式适应杆件截面形状的范围广,且比单一用胶粘结的强度高，但唯一缺点就是刚度小,相对夹角难以控制,为此我们在连杆的空隙处灌胶,外部黏贴特意制作“扇叶”型纸片进一步加固强化，这样既保证了节点稳定性，又能使结构整体显得更加简洁美观（见图-5）。
图—4节点连接件
图—5节点外包装
②纸带的制作：
纸带抗拉能力较绳差，本来单凭单层纸带的抗拉强度是可以满足构造要求的，而且其拉变小，但如若纸带边缘修剪毛糙的话，在裂口处容易产生应力集中，导致撕裂。
绳的延展性较纸带强，但其形变量过大，不利于控制结构的整体变形，而采取双层纸袋中加绳的方法是两者的优点发挥到极致。
成型纸带见图-6：
图—6夹“心”纸带
磐云的特色构件是我们组员共同讨论得出的一种最佳组合，采用“棱台”截面构件，材料用量相对较省，而且具有较强的承载力。
施工方便，维护费用相对其他屋盖较少。
结构形式采用有下斜撑支承梁和细线拉杆组成的桁架，传力路径明晰简单。
通过设置各种倾斜和水平支撑，大大提高了桥梁的整体稳定性（成果图-7）。
图—7模型成果图
二、模型方案设计
1、设计基本假定
1.1模型简化假定
（1）基础部分与加载平台为直接接触，平台对结构不提供刚度，因此拱两端视为简支。
（2）斜撑和上弦梁交叉处节点由于采用了加强的措施，所以视为刚接（该部位实际上是一个刚域，考虑成刚接是比较安全的）。
（3）因为内支撑柱上端与拱用乳胶粘接，下端与纸条用乳胶粘接，虽然上下端都不能移动，但是结构加载时会有一定的转角，因此内支撑柱两端视为铰接。
（4）本结构可视为空间桁架结构，因此纸带的两端视为铰接，材料均假设为均质连续各向同性。
1.2计算简化假定
（1）计算时所有的荷载为作用在模型上设置好的加载点的集中荷载。
（2）在加载总和一定的条件下，一次加载的位移量比分级加载的大，而加载时由于是分级加载，考虑安全储备，软件模拟荷载时将节点荷载模拟为一次加载。
（3）由于拱的拉索在制作时施加了一定的预应力，考虑到结构安全系数，将预应力作为安全储备考虑，软件模拟时不记作预应力荷载。
2、模型结构图
图—8模型结构图
3、构件、节点详图
图—9构件、节点样图
4、主要构件材料表
构件
编号
截面
形状
截面尺寸（mm）
构件长度（mm）
纸张
数量
内尺寸
外尺寸
圆形
直径9
直径12
21.2
直径14
直径10
22
线段
6*1
950
椭圆
8*4
80
12
（编号见图-7和图-8）
重量预计：
我们根据所提供的白卡纸的比重，结合自身结构的特点预计结构总质量为（140±
15）g。
三、结构计算分析
1、计算简图
图—10计算简图
2、荷载分析
我们所做的结构为空间桁架，难以直接对其进行内力分析，故必须对其进行理想简化。
由于纸带和下缘绳索都是约束斜撑的侧向移动，当时考虑的是没有下缘绳索，用纸带一是抵抗斜拉，二是利用三角形的稳定性，从而维持结构的整体稳定性，但加载实验证明纸带的柔性过大，整体超越允许的最大变形，所以为了进一步稳定加固桁架，我们考虑在下缘加绳索锚固，但同时也增加了内力分析的复杂度。
简化，我们忽略纸带，按等效原则，把主体框架上对角线（虚杆）作为上弦圈梁对斜撑柱的等效支撑，有三角形法则只要此对角支撑满足要求，那么圈梁也必定满足设计要求。
下部支座为固定铰支—滑动支座，对角线和斜撑组合形成等腰梯形（见图-10），即把此空间桁架简化为两梯形平面，中间各杆为刚接，借用结构力学求解器，求得内力、弯矩、轴力、剪力、位移。
3、内力分析
图—11各杆件内力表
图—12弯矩图
图—13轴力图
图—14剪力图
图—15模型CAD图
由以上内力结果分析，在静力荷载作用下主要呈现斜撑的压剪破坏。
参考白卡纸的一下研究成果（见图表-16-1/2），结合我们桁架的几何构造（上旋外径12mm，卷裹三层，长212mm，斜撑外径14mm，卷裹四层，长20.5mm，模型图见图-14）
可知斜撑轴力和下缘圈梁即绳索的拉力均满足设计要求。
图—16材性图表1
图—16材性图表2
4、承载力及位移分析
图—17构件变形量表
图—18构件变形模拟
有位移计算结果可知，最大位移为竖向的变形14.5mm，整体变形在限差范围内。
四、结构分析总结
1.本结构主要是利用四根斜撑柱的轴力来抵抗竖向荷载的作用。
2.本结构利用交叉纸带做斜拉来提高斜撑柱的承载力，并利用白卡纸的抵抗性能及抗压性能来抵抗荷载的作用。
3.根据“结构力学求解器”内力分析结果，我们加强节点和支座处强度（节点采用连杆两两相插，斜撑底端涂胶以增强卷纸的整体性），并选择三角形作为刚架单元，整体为四棱台，受力均匀，加载方便。
4.结构模仿实际工程，上下部均采用圈梁加固，增加抗震性和稳定性。
5.对于我们的模型,现实应用还是很普遍的,它在传统屋架基础之上,加之新材料、新技术的实施，使其在整体稳定性前提下，空间净跨大大增加，比如“中国古车博物馆（见图-19）”，虽然它用的是矩形截面梁框架，但对于未来，我们还是比较看好我们的模型的。
图—19中国古车博物馆
参考文献
【1】河北工业大学首届大学生结构设计竞赛细则2009
【2】《材料力学》高等教育出版社2013.1252-55
【3】《第五届全国大学生结构设计竞赛作品集锦》东南大学出版社2012.09
【4】王立彬，李靓等.纸质构件力学性能实验研究[J].力学与实践，2010，32（6）：
88-91.
【5】于洋，姜峰等.关于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法[J].科技资讯，2008，（02）：
201-202.
附录
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