第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛计算书.docx

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第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛计算书

第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛

体育场悬挑屋盖结构计算书

设计者

学号

姓名

组长

0807XX

于发扬

组员

080767

周胤卓

080774

徐佳琦

目录

一、设计说明3

1、结构简介3

2、材料与工具3

3、加载要求3

二、设计过程4

1、整体概念4

2、基本设计4

3、最终模型5

3.1柱子5

3.2梁5

3.3拉索6

三、结构分析与计算6

1、各杆件规格6

2柱子整体参数7

3荷载计算8

一、设计说明

1、结构简介

该结构模型是体育场看台上部悬挑屋盖结构，包括下部看台、过渡钢板和上部挑篷结构三部分。

其中自行设计制作的是挑篷结构，并通过螺栓与过渡钢板连接。

过渡钢板与看台则通过螺栓连接。

挑篷包括支承骨架和围护材料两部分。

其中支承骨架为空间桁架结构，受到几何尺寸以及重量的限制；围护材料采用120g布纹纸，要求不得露出缝隙。

为了达到更好的承载效果，本结构整体采用了7排平面桁架组合而成的空间桁架，并辅以拉索（以木条制成）提高承载力，充分利用了可用空间，并在很大程度上提高了结构的承载能力；由于木条在拉伸中变形较小，位移也有所减小。

同时，在经过仔细计算分析后，将部分桁架内部杆件减重或去除，以减轻整体结构的重量。

图1

2、材料与工具

（1）木材：

桐木，长1250mm；

截面规格（mm×mm）：

2×2、2×4、2×6，4×6；1×55；

木材力学性能参考值：

顺纹弹性模量E=1.0×104MPa，

顺纹抗拉强度30MPa。

（2）布纹纸密度：

120g/m2、

M4螺栓（无垫片）

（3）胶水：

502胶水

（4）制作工具：

美工刀、钢尺、砂纸、锉刀、改锥、小型锯子、砂轮机、打孔机等。

3、加载要求

（1）在距悬挑屋盖前缘50mm处缓慢施加一重物加载条，测量屋盖前端在重物荷载作用下的竖向位移，记为d1。

重物加载条为钢质，截面20mm×20mm，长600mm，重约1.88kg，在屋面上沿垂直悬挑方向放置，测量完毕后取下。

（2）在悬挑屋盖前1m处设置一鼓风机，进行两档风速加载，第一档为9m/s，第二档为12m/s。

测量并记录9m/s风速下屋盖前端的位移时程，根据3.2节的数据处理方法得到得到结构的风振极值响应，记为d2。

（3）进行12m/s风速加载，考察模型的极限承载能力，模型出现损坏（标志为模型任何构件包括覆面材料或连接发生明显破损）即视为比赛失败。

二、设计过程

1、整体概念

根据比赛规则及限制，为了达到更好的承载效果，本结构采用了7排平面桁架组合而成的空间桁架。

对于每一平面桁架，利用三角形桁架结构不易变形的特点，以其作为挑蓬的粱，充分利用了可用空间。

并在第2、4、6排平面桁上端辅以拉索结构提高挑蓬上部承载力，以期减小加载时的位移。

2、基本设计

7排平面桁架采用两种形式交替相连结，其中3排为带拉索的结构，4排为普通结构，4排普通结构通过连杆将力传递至带拉索的结构。

基本思路是利用拉索的抗拉能力承受主要荷载，以期降低对其它结构的抗载要求，节约材料。

基本设计如下：

如图2所示，带拉索的结构用木片错开于两边分别连接梁与柱，前部拉索中间密外侧疏，最中间一排桁架采用两根带有类似牛腿结构的柱子固定拉索，两边则将柱子断开分别与梁连接。

拉索与梁连接的最前端原本有70mm的平坦部分，后经计算改为100mm。

其余部分与另外4排普通桁架结构相同。

3、最终模型

3.1支座

支座作为整体结构的支撑部分，根据题目要求可通过螺栓与地面连接（认为是刚接），主要承受压力，弯矩和部分扭矩。

因承受弯矩，柱子的I较大时位移较小，故柱子的主要重量集中在四周。

柱子由7个平行的桁架连接而成，每一片桁架如右图所示。

为防止柱子的失稳，在柱子的三等分点处设置横隔板，横隔板之间加剪刀撑。

3.2梁

梁在挑蓬结构中主要承受弯矩，部分扭矩。

通过502胶水与柱子连接，因此连接处视为铰接。

由于整体结构中梁受的弯矩较大，产生的位移也较大，因此，梁采用较稳定的三角型构造，斜边在下，以减小位移，同时把部分梁上的弯矩转化为对于木结构较为有利的轴力。

同时，部分梁上部以拉索的形式减小位移。

梁分为3排带拉索的结构（如上图A）和4排普通结构（如上图B），交替排列，4排普通结构通过连杆将力传递至带拉索的结构。

内部杆件如上图所示，7排桁架之间的连接方式如下图所示：

3.3拉索

拉索作为该结构的辅助配件，主要承受拉力，再加上风荷载时会承受部分压力。

但由于自重小，可承受的拉力大，拉索便成为了较为重要的一部分，拉索由木片制成，通过502胶水与梁相连。

拉索的排布为中间密外侧疏。

前端距离挑蓬最前缘100mm。

拉索排布如下图：

三、结构分析与计算

1、各杆件规格

颜色

截面积

（mm×mm）

惯性矩（mm4）

图示

红色

4×6

72.00

黄色

2×4

10.67

蓝色

1×5

10.42

2柱子整体参数

参数名称及单位

参数值

弹性模量（MPa）

10000

长（mm）

560

宽（mm）

100

高（mm）

312,412

截面（mm×mm）

100×560

惯性矩（cm4）

146347

压力（N）

18.424

临界压力（kN）

373100

3荷载计算

（黑色表示变形，红色是弯矩，蓝色是剪力，绿色是轴力，关键处有数值）

1框架部分静荷载下受力及变形情况

2.静荷载下整体受力情况及变形情况

3.风荷载下整体受力及变形（定性）