华东赛计算书1.docx
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华东赛计算书1
第八届华东地区高校结构设计邀请赛
理论方案
作品名称：
鹏程万里
作者：
庞振宇
欧洋
路见宇
指导教师：
董军/陆伟东
教授
南京工业大学
2011年11月26日
第一章竞赛题目……………………………………………………………………1
1.1竞赛内容……………………………………………………………………1
1.2所需工具与材料……………………………………………………………3
第二章方案设计…………………………………………………………………4
2.1设计说明…………………………………………………………………4
2.2方案构思…………………………………………………………………4
2.3结构原理…………………………………………………………………5
2.4方案比选…………………………………………………………………5
第三章结构设计…………………………………………………………………7
3.2结构计算模型………………………………………………………………9
3.2计算结果………………………………………………………………9
3.3构件设计及承载力计算…………………………………………………11
3.2构件剪裁………………………………………………………………14
第四章模型详图…………………………………………………………………15
第五章质量与材料预算…………………………………………………………16
5.1模型预计质量……………………………………………………………16
5.2材料预算表………………………………………………………………16
第一章竞赛题目
1.1竞赛内容
结构选型；结构设计；结构模型制作；结构模型加载试验。
1.1.1模型功能
C1：
在加载状态E1，模型应支承竖向加载块，使其底面距离底板顶面的距离为600mm±3mm。
C2：
在加载状态E4、E5、E6，模型应保证不倒塌，并满足相应的位移要求。
（关于加载状态的描述见E部分）
D：
模型的边界条件
D1：
模型结构的支座应支承在B2条所叙述底板上，支座数量任意，支座与底板的接触范围必须位于底板表面中央200×200的范围内。
模型支座可通过502胶水和底板连接。
D2：
在模型200±5mm、400±5mm、595±5mm的三个高度上，均分别设置4个水平加载点。
各高度上的4个水平加载点分为2个X向加载点和2个Y向加载点。
2个X向加载点之间的Y向投影距离Dy应满足Dy≥150mm。
2个Y向加载点之间的X向投影距离Dx应满足Dx≥150mm。
水平加载点编号表示方法：
D高度-方向-左右
左右位置（见附图5）
按照水平力加载的方向分别表示为X、Y
按照所在高度分别表示为200、400、600
编号举例：
D400-X-左表示400高度X方向左侧加载点。
在水平加载点处绑扎尼龙绳形成绳套，以方便与挂钩连接施加水平荷载。
每个绳套由长度为160mm的尼龙绳制作而成，由队员在加载测试前自行安装。
尼龙绳只用于在水平荷载加载点形成绳套，方便与水平挂钩连接，尼龙绳不得成为结构构件。
D3:
规避区：
如附图6、附图7所示，规定在模型内部有一竖向不连续柱体规避区，其水平截面为100×100mm，规避区的水平投影见附图8。
在规避区内不得有构件存在。
1.1.2加载测试要求
E1：
状态一——竖向加载：
将竖向加载块放置在模型上，保证竖向加载块的两个边长为255mm×255mm的面与底板顶面平行，模型只可与边长为255mm×255mm的两侧面之一接触。
竖向荷载加载完毕后，计时5秒，方可进行水平加载。
E2：
竖向加载块放置到模型上后，应保证竖向加载块至底板顶面之间的最小距离为600±3mm，以满足C1条要求。
E3：
在竖向荷载施加完毕后，开始采用激光位移计测试并记录竖向加载块的X和Y向侧向位移。
激光位移计的标靶位于竖向加载块上方（附图1），在位移测试过程中，应始终保证激光发射点至标靶之间无遮挡。
E4：
状态二——水平加载1：
按照加载点由低到高的顺序进行水平荷载加载。
水平荷载以悬挂的方式施加，并经由拉索及转向滑轮通过挂钩与固定在模型上的尼龙绳套连接。
200mm高处的四个水平加载点各施加一个1kg的砝码，其余8个水平加载点各施加一个2kg的砝码，
E5：
状态三——水平加载2：
现场抽签确定X向和Y向，按照加载点由低到高的顺序按照下表所规定的规则逐一移除6个水平加载的砝码，并将移除的砝码转移至对应的移至点位置。
表一状态三水平荷载移动规则
抽签结果X
抽签结果Y
移除点
移至点
移除点
移至点
D-200-X-左
D-200-X-右
D-200-X-右
D-200-X-左
D-400-X-右
D-400-X-左
D-400-X-左
D-400-X-右
D-600-X-左
D-600-X-右
D-600-X-右
D-600-X-左
D-200-Y-左
D-200-Y-右
D-200-Y-右
D-200-Y-左
D-400-Y-右
D-400-Y-左
D-400-Y-左
D-400-Y-右
D-600-Y-左
D-600-Y-右
D-600-Y-右
D-600-Y-左
E6：
状态四——裁减构件：
此阶段的总耗时时限为450秒。
在状态三的基础上，去除模型上的结构构件，可借助的工具为剪刀和手工刀。
在去除构件过程中，只允许参赛队员的手接触正在被裁剪的构件。
为避免构件突然破坏伤及队员，三名队员必须佩带现场提供的护目镜。
每去除一个构件，应静止5秒钟，如结构未倒塌或位移测试值未超过限值（限值要求见G3条），则刚刚去除的构件为有效去除构件。
继续去除工作，直至达到H条要求的加载测试停止标准为止。
收集所有有效去除构件。
1.2所需工具及材料
1.2.1材料
主要模型材料采用木材，规格见表1
表1木条规格
制作模型材料规格
几何尺寸
（mm）
抗拉强度f
（MPa）
弹性模量E
（GPa）
W22
2×2
33.1
3.93
W42
4×2
31.7
3.03
W62
6×2
30.7
2.98
W82
8×2
30.0
2.92
W85
8×5
22.3
2.23
W551
55×1
28.4
2.80
W552
55×2
26.4
2.70
1.2.2制作工具
502胶，大头钉，大头针，聚乙烯薄膜，砂纸、刻刀、钢尺和铅笔。
第二章方案设计
2.1设计说明
《逍遥游》曰：
北冥有鱼，其名为鲲。
鲲之大，不知其几千里也；化而为鸟，其名为鹏。
鹏之背，不知其几千里也；怒而飞，其翼若垂天之云。
北方的大海里有一条鱼，它的名字叫做鲲。
鲲的体积，真不知道大到几千里；变化成为鸟，它的名字就叫鹏。
鹏的脊背，真不知道长到几千里；当它奋起而飞的时候，那展开的双翅就像天边的云。
方不知鹏有多大，但相比现今的高耸结构却极为贴切。
大而轻且有惊人的力量，扶摇直上则九万里。
这更是符合了我们结构的意境。
我们的结构因此而得名。
2.2方案构思
根据比赛要求，结构应首先满足尺寸要求，结构满足高度、加载面和水平力的要求。
在满足承载力以及保证结构稳定的情况下，尽可能地使结构自身重量减到最轻，同时力求一种轻盈优美的姿态感。
因此我们做出了大胆尝试。
我们的思路主要从外观，结构，制作出发。
（1）整体外形
窈窕淑女君子好逑。
传统的四面梯形框架受扭的结构工作效率很高，因此主体结构仍然采用这种形式。
（2）结构布置
结构的好坏直接影响承受何载的大小以及材料的损耗量。
塔在承受拉压的同时还受到水平方向的拉力产生的扭矩。
对于抗扭而言，筒结构是我们的第一选择，但我们在此基础上又加以创新，用拉压杆交替的斜撑代替传统的横梁和交叉撑，做成一个桁架式塔架。
不管是从整体结构和局部桁架上看，会发现三角形是这个结构所要表达主题，因为它具有良好的稳定性和抗扭性能。
总体来说质量和刚度分布比较均匀，而且有足够的侧向刚度，以控制侧向位移在规定限制内。
（3）手工制作
出于对结构整体性的考虑，我们选择以四根连续主杆由基础直到顶部，与受力特征相协调，较短斜杆做成刚性杆，较长杆为柔性拉杆。
同时结点是制作方面的难点，采用尽量少的结点也是我们所追求的。
2.3结构原理
本方案参考了输电塔塔架结构体系，输电塔是一种具有规则几何形状的空间杆系结构（图2.1）。
塔架组成杆件分为塔腿、斜材、斜腹杆以及横隔等。
塔架在受力过程中，各组成部分对塔架的受力性能影响是不同的，塔腿对塔架承受竖向力有很大贡献，对塔架承受侧向力以及受扭也有明显贡献，斜材对塔架承受侧向力有较大贡献，增大斜材截面能够有效的提高塔架的侧向承载能力。
塔架结构的斜材体系中，拉杆对压杆的中间支撑作用及其对整体交叉斜材体系极限承载力有明显的影响。
本方案充分借鉴了输电塔塔架的受力原理，每根杆件的截面尺寸均按照构件承载力需要进行设计，整个结构同时满足位移控制要求。
图2.1典型的输电塔结构
2.4方案比选
方案一：
首先我们先考虑的是普通的交叉撑桁架结构，由于这次结构要求的抗侧刚度比较大，普通的桁架结构具有很大的抗侧刚度，抗扭刚度也较大，并且效率比较高，但是横梁和交叉撑重量较大。
方案二：
由于此次赛题没有楼层概念的限制，而且普通的桁架结构中的横梁不仅增加了模型的重量而且利用效率不高，我们取消了横梁，换用新颖的拉压杆斜向交替的桁架结构，斜的压杆不仅起到原来横梁的作用，增强结构稳定性而且可以当做斜撑承受压力。
并且交错的拉压杆受力明确，拉压分明，很好的提高了结构的效率，并减轻了结构的自重。
图2.2方案一图图2.3方案二图
综上所述，我们最后采用方案二拉压杆斜向交替的桁架结构，实际模型如下。
图2.4实际模型图
第三章结构设计
3.1结构计算模型
3.1.1有限元分析模型
本方案采用有限元分析软件SAP2000对已选定方案进行建模计算，参见图3.1~3.4。
建立有限元模型时，按照设计尺寸建立节点与单元，并确定单元的材料与截面。
梁,柱,压杆，构件采用箱型截面，；拉杆采用截面积很小的实心截面。
图3.1模型三维图
图3.2模型正视图
图3.3模型左视图
图3.4模型俯视图
模型结构为空间四面体形式，具有良好的稳定性，四根柱主要承受竖向荷载，拉压杆交替设置保证了结构的侧向刚度，并将水平荷载有效传递给四根主柱。
3.1.2边界条件
模型结构的四个柱脚顶在方形加载框（200×200mm）内，因此在有限元模型中，将四个柱脚的约束条件设为固结接，即Dx、Dy、Dz，Mx、My、Mz固定。
3.1.3荷载布置
竖向荷载：
共需加载200N，在有限元模型中在模型四根柱子的顶部分别加50N竖向集中荷载。
水平荷载：
本方案模型首先在分别在X，Y方向200mm高度上分别承受2个1kg的拉力，在400mm、600mm高度上承受2个2kg的拉力。
其次在下一状态由抽签结果由低到高按规则移除6个砝码并移至相应位置。
3.2计算结果
模型的制作材料主要是用W551和W22规格的木材，其中W551的弹性模量取2.80GPa，W22的弹性模量取3.93GPa；泊松比取0.30；木材密度设为0.30g/cm3。
3.2.1水平位移结果。
在荷载作用下，结构变形如图3.5所示，最大水平位移为4.47mm，在E5y/600y2-y1受力状态时出现。
图3.5模型变形图1图3.6模型变形图2
3.2.2竖向位移结果
在竖向荷载作用下，各点最大竖向负位移如图3.6所示，其中最大竖向位移为-0.53mm。
3.3构件设计及承载力计算
图3.7竖向满载时（E1-3）结构应力图
图3.8竖向横向均满载时（E5x/600y1-600y2）结构应力图
图3.9竖向横向均满载时（E5y/600x1-600x2）结构应力图
本结构采用W551和W22材料，柱采用8*8箱型截面，根据构件材性试验结果，柱受压承载力为12.477MPa，8*8柱能承受的最大的力为349.356N，计算柱承受的最大力为243.24N（如表3.1），承载力符合要求。
表3.1最危险柱段受力情况表
受载状态
轴力
剪力
扭矩
弯矩
单位
N
N
N*mm
N*mm
E1-3
-49.09
-0.0477
-9.34E-16
-3.43
E4-200
-62.57
-0.22
-2.2E-15
-17.99
E4-400
-128.64
-0.33
-1.34E-14
-16.73
E4-600
-235.48
-0.49
-2.93E-14
-19.23
E5x/200x1-200x2
-238.28
-0.58
-1.52
-27.01
E5x/400x2-400x1
-227.72
-0.46
3.88
-19.57
E5x/600x1-600x2
-238.21
-0.5
-1.73
-19.09
E5x/200y1-200y2
-232.68
-0.41
-1.52
-11.45
E5x/400y2-400y1
-243.24
-0.52
3.88
-18.88
E5x/600y1-600y2
-240.51
-0.52
2.15
-19.02
E5y/200x2-200x1
-232.68
-0.41
1.52
-11.45
E5y/400x1-400x2
-243.24
-0.52
-3.88
-18.88
E5y/600x2-600x1
-232.75
-0.49
1.73
-19.36
E5y/200y2-200y1
-238.28
-0.58
1.52
-27.01
E5y/400y1-400y2
-227.72
-0.46
-3.88
-0.57
E5y/600y2-600y1
-238.21
-0.5
1.73
2.89
梁采用5*5箱型截面，根据构件试验，梁的最大拉应力为33.8MPa，梁能承受最大弯矩为612.89N·mm，计算梁的最大弯矩为213N·mm，符合要求。
表3.2最危险梁受力情况表
受载状态
轴力
剪力
扭矩
弯矩
单位
N
N
N*mm
N*mm
E1-3
-2.32
-0.02173
-0.0108
0.5
E4-200
-2.32
-0.02582
0.0001103
0.49
E4-400
-2.62
-0.00668
0.12
0.51
E4-600
-18.36
-0.26
-0.006652
-28.06
E5x/200x1-200x2
-19
-0.27
0.25
-28.12
E5x/400x2-400x1
2.56
-0.19
-1.39
-112.24
E5x/600x1-600x2
-10.63
-0.13
2.46
-37.07
E5x/200y1-200y2
-1.08
-0.25
-0.3
-109.36
E5x/400y2-400y1
-6.17
-0.32
1.49
-103.67
E5x/600y1-600y2
4.27
-0.2
3.93
-157.92
E5y/200x2-200x1
-1.06
-0.26
-0.32
-109.36
E5y/400x1-400x2
-6.06
-0.33
1.27
-105.16
E5y/600x2-600x1
7.13
-0.4
-2.57
213.39
E5y/200y2-200y1
-2.42
-0.27
0.18
-108.03
E5y/400y1-400y2
2.67
-0.21
-1.6
-113.72
E5y/600y2-600y1
-12.18
-0.38
-2.5
109.85
压杆采用5*5箱型截面，根据构件试验，最大压应力为2.815MPa，压杆所能承受的最大压力为45.04N，计算压杆承受的压力为44.59N，符合承载要求。
表3.3最危险压杆受力情况表
受载状态
轴力
剪力
扭矩
弯矩
单位
N
N
N*mm
N*mm
E1-3
-1.38
-0.0012
-0.12
0.68
E4-200
-8.21
-0.00437
-0.48
1.95
E4-400
-21.95
-0.00714
-0.99
4.53
E4-600
-34.59
-0.00496
-1.44
7.46
E5x/200x1-200x2
-34.15
-0.00485
-1.14
7.38
E5x/400x2-400x1
-37.31
-0.00034
-1.74
7.91
E5x/600x1-600x2
-28.49
-0.02079
-1.37
6.39
E5x/200y1-200y2
-28.44
-0.00874
-1.47
6.4
E5x/400y2-400y1
-44.59
0.003674
-1.42
9.01
E5x/600y1-600y2
-37.94
-0.00856
-1.35
7.86
E5y/200x2-200x1
-35.02
-0.00506
-1.75
7.55
E5y/400x1-400x2
-31.86
-0.00957
-1.15
7.01
E5y/600x2-600x1
-40.68
0.01088
-1.51
8.54
E5y/200y2-200y1
-40.73
-0.00117
-1.41
8.52
E5y/400y1-400y2
-24.58
-0.01358
-1.46
5.91
E5y/600y2-600y1
-41.24
0.007281
-1.51
8.61
拉杆采用2*2实心截面，拉杆拉应力为33.1MPa，该截面所能承受拉132.4N，计算拉杆受的拉力为46.62N，承载力满足要求。
表3.4最危险拉杆受力情况表
受载状态
轴力
剪力
扭矩
弯矩
单位
N
N
N*mm
N*mm
E1-3
1.79
-0.00059
0.002973
-0.008065
E4-200
0.97
-0.00068
0.002764
-0.005314
E4-400
17.91
-0.00105
0.0185
-0.05882
E4-600
33.74
-0.00176
0.02266
-0.21
E5x/200x1-200x2
32.34
-0.00185
0.02422
-0.26
E5x/400x2-400x1
20.85
-0.00156
0.02203
0.0249
E5x/600x1-600x2
42.49
-0.0024
0.05898
-0.19
E5x/200y1-200y2
34.33
-0.00176
0.01646
-0.13
E5x/400y2-400y1
30.1
-0.00165
0.006943
-0.48
E5x/600y1-600y2
38.13
-0.00219
0.06356
-0.46
E5y/200x2-200x1
35.13
-0.00168
0.0211
-0.15
E5y/400x1-400x2
46.62
-0.00196
0.02329
-0.44
E5y/600x2-600x1
24.98
-0.00112
-0.01365
-0.22
E5y/200y2-200y1
33.14
-0.00177
0.02887
-0.29
E5y/400y1-400y2
37.37
-0.00188
0.03838
0.0687
E5y/600y2-600y1
25.71
-0.00122
-0.03395
-0.23
3.4构件裁剪
构件裁剪阶段可将模型下部8根受力较小的拉杆剪掉，形成如图3.10所示结构。
图3.10构件裁剪后模型
第四章模型详图
模型详细尺寸见下图：
图4.1正视图（mm）
图4.2左视图（mm）图4.3俯视图（mm）
第五章质量与材料预算
5.1模型预计质量
本方案模型预计质量为46g，预计剪裁掉构件3g。
5.2材料预算
本方案构件汇总如表5.1所示，所需材料预算如表5.2所示。
表5.1构件表
材料分类
构件
形状
数量
木材
柱
8×8×1mm空心
4
横梁
5×5×1mm空心
4
压杆
5×5mm空心
6
拉杆
2×2mm实心
20
W552板
2
尼龙绳
160mm
12
502胶
--
--
2
表5.2材料预算表
材料分类
材料规格
截面尺寸/mm
长度/mm
数量
木材
W551板
55×1
1000
4块
W552板
55×2
1000
2块
W22条
2×2
1000
8根
尼龙绳
160mm
12根
502胶
--
2盒
图钉
若干
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