结构力学纸结构电算书.docx
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结构力学纸结构电算书
辽宁工程技术大学
结构力学
综合训练纸结构
计算书
教学单位
专业
班级
组员
指导教师
1、设计说明
1.1设计题目与要求
设计题目：
多层结构模型设计与制作
设计要求：
根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的白卡纸材料，乳胶作为粘结剂，精心设计制作了该大跨结构模型。
本次多层结构模型为了满足建筑使用要求建筑使用要求：
楼面层满足基本的建筑使用要求，应具有足够的承载刚度，楼面层配重放置于楼面几何中心处。
理论方案应包括：
设计说明书、方案图和计算书。
设计说明书应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图；计算书应包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。
在决赛整个加载过程中，尽量避免出现以下情况：
（1）模型任何构件出现明显失稳或连接破坏;
（2）配重或撞击板脱落;
（3）测点位移大于80mm或者测点脱离预先黏贴纸靶（50mm×50mm）;
（4）测试完成后，测点1或2处结构残余变形大于35mm。
1.2方案构思
根据训练任务书和结构设计规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的白卡纸材料，乳胶作为粘结剂，在模型内部，楼层之间（底部吊脚层除外）不能设置任何妨碍房屋使用功能（指建筑使用空间要求）的构件。
模型为多层结构模型，在上层顶部承受钢托盘与配重钢块的质量之和约为10kg。
安装于一层楼面的加载装置质量，约为2kg～3kg。
同时在模型一层楼面进行具有一定冲击能量小球撞击，结构整体会受到瞬间应力，容易造成失稳，所以模型必须要有足够的刚度来抵抗，在侧面加斜杠辅助受力起到能传递和分散力的作用。
本结构主要构思是想利用白卡纸的抗拉性能在后面承受拉力作用。
用矩形立柱和斜梁承受压力和弯矩。
其次，尽可能把节点设计成钢节点，并利用白卡纸的特性来进行节点外围的加固，以此来达到承受并抵消外部荷载的作用。
1.3结构体系
1、主体为框架结构体系：
梁、柱和斜杆的组合，作为该大跨结构模型的压弯系统，承担结构的整体受弯、受压和抗剪；圆形柱承受结构竖向荷载；斜杆承受结构的抗拉和抗压。
2、节点设计
将横梁和中间柱的接头做成T型接头与柱和梁连接；将柱刻槽与主梁和底座连接，再在相交处塞入实心圆柱来增大接触面积；用Y型实心接头连接斜杆与主梁。
斜杆与底座和主梁的交接处，将斜杆切斜面，粘结在一起，增强整体稳定性。
侧面连接以斜杆连接，构成三角形，从而达到减震装置，整个侧面的斜撑杆呈弓形，把侧面分解成三角形，其作用分别是分解来自撞击点和撞击面的冲击力和使结构轴向与横向竟可能保持稳定减小撞击位移。
连续斜杆三角形方案，由于在端部加荷载，会导致底部和加载位置产生较大的弯矩，考虑作用力很大，不容易与底部连接等因素，综上所述选用选用连续三角型模型，并在局部进行部分加固，以达到在小球滚下时较大的冲击力的情况下，使其位移尽可能减小，所以，在考虑结构重量及刚度，强度，稳定性等方面的影响，最终将方案定为四根主杆作支撑，中间用短杆连接形成多个三角形的桁架模型。
3、创意特色
第一，节点的处理采用交叉黏贴的方式，并运用纸条进行外侧加固，使得节点更加牢固，更加符合刚节点的特点。
第二，进行空间桁架进行支撑，在保证美观的同时，能够均匀受力，并且大大减轻了结构的质量。
第三，粗细杆交叉使用，尽可能在受力较大的地方使用刚度较大的杆件，受力小的地方使用刚度较小的杆件，从而也减轻的结构的质量。
在制作过程中使模型整体向上微拱，使梁尽可能受压力而少受弯，有利于梁的稳定和减少挠度。
第四，在结构制作完成后，在结构的表面刷上一层薄薄的乳胶，这样既可以增加材料的抗弯性能，还可以使材料本身的一些缺陷、小裂纹等粘和起来，避免其成为应力集中点，或周期载荷的破坏起始点。
2、计算设计
2.1材料力学性质参数
提供的材料为230克巴西白卡纸，其力学性质参数如表1和2所示：
表1.弹性模量
名称种类
层数
弹性模量（Mpa）
230克巴西白卡纸
1
56、9
2
148、2
表2.极限应力
名称类型
层厚（mm）
拉应力（N/mm2）
压应力（N/mm2）
230克巴西白卡纸
0、3
22、2
7、0
2.2、计算简图
基本假定：
（1）横梁和斜撑与柱的连接都视为刚性连接，结构视为桁架结构;
（2）所有杆件视为各向同性弹性体；
（3）钢球与轨道摩擦力为零，冲击时间为0.01s。
2.3、静力分析
1、横梁强度验算
竖向重物：
重物直接作用在顶层两根横梁上，可看成均布荷载，则每根梁上线荷载为：
横梁跨中最大弯矩：
横梁截面抵抗矩为：
横梁最大拉应力为：
该计算结果表明横梁截面强度不满足要求，但考虑到横梁与柱粘结节点与假定铰接还有一定差距，如果该处假定为刚接，这跨中弯矩减少一半，因此该处可以乘以一个系数0.75。
，满足要求。
2、斜撑轴力
底层交叉斜撑压杆轴力最大，
该斜撑杆采用双层卡纸卷制。
则柱截面压应力为
，满足要求。
3、横梁弯矩
由于我们将模型简化为桁架结构，构件内部不存在弯矩，只是顶层横梁出现弯矩，查看弯矩计算结果，增加水平荷载对结构弯矩影响不大，这里就不再验算。
4、结构位移
对比两种节点结构变形图，发现刚接的更接近现实模型加载变形，不过二者最大位移差不多。
计算最大位移为80mm，结果偏大，与试验得到的差距较大。
分析原因，结构力学求解器只能计算二维杆件，而我们的模型是空间结构，整体刚度较二维杆件会有很大提高，因此位移计算结果不准确。
模型计算可以发现：
1、轴力：
结构的四根主杆受轴力最大，其他连接杆微小突变。
要是结构能够承受10kg的荷载，必须将四根杆直立连接，不能有晃动。
2、弯矩：
在小球撞击加载处，产生较大的弯矩，也是整个结构重点连接和加固的地方。
采用短杆桁架连接，可以有效的抵抗弯矩和维持平衡。
2.4、动力分析
考虑到所学力学知识有限，我们将动力分析转换为静荷载加载在模型上，来求水平位移。
根据加载条件，利用物理能量守恒等原理，我们进行如下计算。
铅球下落总动能：
水平动能分量：
下落后铅球水平速度为：
根据碰撞定理：
，假定撞击后铅球静止，撞击时间为0.02s，则冲击力为
，单榀桁架受力
利用结构力学求解器计算单榀桁架内力及位移。
柱截面性质：
横梁和斜撑截面性质：
3、结构
单元编号图
4、几何信息
各节点信息如下表：
节点号
x坐标（m）
y坐标（m）
z坐标（m）
x向约束
y向约束
z向约束
绕x约束
绕y约束
绕z约束
1
0.110
0.000
0.780
2
0.217
0.000
1.000
3
0.134
0.000
0.560
4
0.217
0.000
0.560
5
0.110
0.217
0.780
6
0.217
0.217
1.000
7
0.134
0.217
0.560
8
0.217
0.217
0.560
9
0.000
0.217
0.340
10
0.115
0.217
0.248
11
0.217
0.217
0.140
12
0.132
0.217
0.140
13
0.217
0.217
0.000
√
√
√
√
√
√
14
0.000
0.000
0.000
√
√
√
√
√
√
15
0.217
0.000
0.340
16
0.000
0.109
1.000
17
0.000
0.217
0.900
18
0.000
0.000
0.900
19
0.217
0.109
1.000
20
0.217
0.217
0.900
21
0.217
0.000
0.900
22
0.000
0.000
0.340
23
0.115
0.000
0.248
24
0.217
0.000
0.140
25
0.132
0.000
0.140
26
0.217
0.000
0.000
√
√
√
√
√
√
27
0.217
0.000
0.780
28
0.000
0.000
0.140
29
0.000
0.000
0.560
30
0.000
0.000
0.780
31
0.000
0.000
1.000
32
0.000
0.217
1.000
33
0.000
0.217
0.780
34
0.000
0.217
0.560
35
0.000
0.217
0.140
36
0.000
0.217
0.000
√
√
√
√
√
√
37
0.217
0.217
0.780
38
0.217
0.217
0.340
39
0.050
0.000
0.560
40
0.050
0.217
0.560
41
0.211
0.217
0.560
各单元信息如下表：
单元号
截面名称
长度（m）
面积（mm2）
绕2轴
惯性矩（x104mm4）
绕3轴
惯性矩（x104mm4）
绕2轴计
算长度
系数
绕3轴计
算长度
系数
小节点
释放
大节点
释放
1
梁250x100x4x6
0.245
2152
100
2236
1.000
1.000
---
---
2
梁250x100x4x6
0.221
2152
100
2236
1.000
1.000
---
---
3
梁250x100x4x6
0.245
2152
100
2236
1.000
1.000
---
---
4
梁250x100x4x6
0.245
2152
100
2236
1.000
1.000
---
---
5
梁250x100x4x6
0.221
2152
100
2236
1.000
1.000
---
---
6
梁250x100x4x6
0.245
2152
100
2236
1.0
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