结构设计大赛计算书模板.docx
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结构设计大赛计算书模板
第1组
设计说明
作品名称龙骨桥
作品重量342g
队伍名称实验建设兵团
学生姓名杨丽丽学号6043210505
学生姓名张洋学号6043310516
学生姓名韩兴学号6043310509
建筑方案说明
1、建筑材料
A0绘图纸两张、200ml白乳胶、线。
在实际制作中常常在白纸之间刷上胶,故所用的材料实际上是纸胶复合材料。
根据组委会提供的参考资料可知:
纸胶复合材料受拉时呈现线弹性和脆性,受拉弹性模量为Et=2492.2N/mm2,抗拉强度设计值为ft=32.91N/mm2;不失稳的情况下纸管的抗压强度设计值为Ec=7.18N/mm2,是理想的弹塑性材料,受压弹性模量为fc=831.89N/mm2。
其抗拉强度设计值ft是抗压强度设计值fc的4倍多,可见纸的受拉性能比受压性能好的多。
2、建筑工程
我们利用纸胶的抗拉、抗压和抗弯性能,及绳子的抗拉强度高而无刚度特点,用纸胶构件和绳子搭制一座跨度1040mm,桥宽190mm的纸桥。
通过最合理的结构设计,构件尺寸设计和最优的构件组装方法,以达到在用料最省的条件下尽可能地通过更大的荷载,使荷质比达值最大,充分发挥材料的力学性能。
结构设计说明
1、结构的选型
按设计要求,小车的速度较慢,故可以不考虑荷载的动态效应,即把每一时刻的荷载都当作静荷载处理。
小车从杆的一端移到另一端,内应力最大处的包络图如右图所示,为一抛物线方程y=-(x-1/2)^2+1/2,取其为设计拱轴线,在拱的构造上我们用三根杆做成梯形来代替合理拱轴线。
拱桥按桥面的位置分为上承式,中承式,下承式。
上承式桥优点是桥面系构造简单,拱圈与墩台的宽度较小,桥上视野开阔,施工方便;缺点是桥梁的建筑高度大,纵坡大和引桥长。
一般用在跨度较大的桥梁。
中承式桥的优点是建筑高度较小,引道较短;缺点是桥梁宽度大,构造较复杂,施工也较麻烦。
下承式桥的优点是桥梁建筑高度很小,纵坡小,可节省引道长度;缺点是构造复杂,拱肋施工麻烦。
一般 用于地基差的桥位上。
按照有无水平推力分可分为有水平推力和无水平推力。
在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥。
其推力由刚性梁或柔性杆件承受,属于内部超静定、外部静定的组合体系拱桥。
适用于地质不良的桥位处,墩台与梁式桥基本相似,体积较大,只能做成下承式桥,建筑高度很小,桥面标高可设计的很低,降低纵坡,减小引桥长度,因此可以节约材料。
但是,结构的施工比较复杂。
在竖向荷载作用下拱脚对墩台有水平推力作用的拱桥。
水平推力可减小跨中弯矩,能建成大跨度的桥梁。
造型美观,城市桥梁一般优先选用,可做成上承式、中承式桥。
缺点是,对地质要求很高,为防止墩台移动或转动,墩台须设计很大,施工较麻烦。
我们知道在纸桥加载的时候,并没有提供水平力,由这一点在综合考虑以上两方面我们采取的是下承式拱桥。
主拱和承梁的截面选择,为了制作方便我们统一选择了圆形。
在主拱和桥梁之间我们用5根绳子来传递拉力,其中在结构中心附近我们将1根绳子做成十字交叉型,主要考虑提高绳子的稳定性和传载传荷能力。
主要是水平拱杆和桥梁之间的那2根绳来传力,另两根绳主要是为了位置梯形拱的稳定,当然也能传递共和梁之间的力,所以从侧面看桥的形式是这样的
然后就是拱的横向连接问题,我们用杆和绳来维持横向联系。
纵向的切力不会很大所以只是靠杆和两品拱之间的剪切力来维持。
以上就是我们的结构选型。
2、荷载分析
此模型采用下承式拱桥,为简化模型的制作难度,使用三根杆件做成近似拱形。
根据设计要求,模型所受荷载主要为移动荷载,在实验条件下,可不考虑水平荷载的影响。
在上述前提下,设计时可适当减少水平
3、内力分析
在荷载作用在下梁中心位置时结构内部弯矩如图所示。
此时,结构内部的轴力如图
其中红色区域为受拉区域,蓝色区域为受压区域。
剪力图如下。
4、计算简图
5、承载能力估算
在结构下梁中心处受到10千克力作用时,上面拱形梁受到最大压应力为10.88MPa,按照线形比例关系,当纸杆达到其抗拉极限32.91N/mm2时,其承受的荷载应为30千克。
但考虑到实际情况,纸有可能出现受压情况,失稳情况,而且纸胶复合材料与纸的力学性能有着很大不同,所以实际承载应该小于30千克。
第2组
设计说明
作品名称简约之美
作品重量210g
队伍名称王者归来
学生姓名孙扬学号1043310106
学生姓名李欣学号1043310105
学生姓名钟坤学号1043310117
学生姓名张宏全学号1043310128
建筑设计说明
一、建筑设计概念和建筑构思
建筑不仅是凝固的音乐,更是一种语言,蕴涵其中的建筑手法,通过构件结构形式和空间处理体现建筑美。
我们从竞赛的要求与实际情况相结合的角度出发,综合考虑桥的受力特点,设计了一座,美观朴实的桥,名为“简约之美”
“小桥流水人家”
江南水乡一直是美的代名词,潺潺的流水,绿绿的稻田,尤其是那里的桥,给人们留下无限的遐想。
那坐落在水乡航道上的座座小桥,无一不轻巧、古朴、典雅。
从桥的点滴中透出人与自然的和谐之美。
我们正是从这点出发设计了“简约之美”,我们的桥小巧,轻盈,而且用简约的线条来表现我们的设计理念“人与自然的和谐之美”
“简约而不简单”
我们从结构形式所体自然现出的简洁明快的风格的基础上;根据纸的一些力学性质,充分考虑桥的整体受力情况;最终我们从受力最好的最简单的三角形入手。
制作了“简约之美”。
“简约之美”的整体外型是倒置的三角形,在桥面中间有一竖立的柱子并用纸带联系到了桥的两端,巧妙的将荷载分担给桥端支座。
减小了挠度。
两端的纸带用特殊方法进行加固。
这样使桥的整体性增强、提高的抗载荷、抗倾覆能力。
一、“弯弓射雕”
“简约之美”外型独特,桥梁和斜拉的纸带犹如一支已拉满的强弓;而横跨中的支柱则是那即将离弦的箭,箭头直指天际,不禁使人想起一代天骄成吉思汗弯弓射大雕的豪迈之情。
即将离弦的箭恰是我们的愿望。
希望我们的团队能够腾飞,扶摇直上九万里。
二、结构选型三角桁架
平面布置要求:
简单,规则,对称。
选择工字梁作为主桥面梁,有较高的抗弯能力。
抗竖向荷载布置
在主桥面梁,跨中截面处设置竖立柱,并用纸带斜拉到桥体的两端;以减少跨中挠度,增加桥体的承载能力。
三、受力基本特征
整个桥体为空间梁柱共同工作的,主体桥梁为主要受力体,在跨中:
运用立柱和斜拉的纸带分担荷载,立柱承受向下的荷载并将其分给其上的纸带,遂将荷载传递到两端桥基上。
四、模型制作工艺
桥面主梁
主梁工字型采用特制矩形模具批量生产,然后拼接,粘贴而成。
质量高,速度快,养护效率高
跨中立柱
采用圆柱型结构,充分利用圆柱的抗压能力,提高立柱的强度。
接点处理
运用棉线捆绑、箍扎,并且涂刷乳白胶加固定型。
提高
了接点的牢固性,提高结构整体性。
结构计算书
计算简图
1荷载分析
由于小车缓慢行驶,忽略加速度,其荷载可视为静荷载,
设小车的重力为F牛顿;作用于小桥的跨中。
计算跨中立柱和斜拉纸带的受力、跨中挠度
由Fn1、M1图得:
由M1图和Mp图得:
纸带面积A=0.2*40=8(mm^2)
工字横梁惯性距I
2433(mm^2)
由
得:
X1=0.43F
当F=50N时,X=21.5(N)
跨中挠度y=
y
符合要求。
2内力分析
由上面计算可知:
立柱受压力F=X1=21.5(N)
纸带受拉力F=
=20.9(N)
所以两者均符合要求
3结论
按荷载、受力分析,结构可承受10KG重物。
但是由于实际结构刚度较弱以及做工较理想化有一定的人为差距,所以人为规定一个“保守系数”KP=0.8
所以结构承重F
100*0.8=80(N)
第3组
设计说明
作品名称斩天堑
作品重量195g
队伍名称7625
学生姓名黄理卿学号1033320109
学生姓名刘思嘉学号1033320113
学生姓名徐训学号1033320118
学生姓名陈伟学号1033320129
建筑方案说明
“一桥飞架南北,天堑变通途。
”
----毛泽东《水调歌头游泳》
1、桥梁美学
我国著名的桥梁美学专家唐寰澄先生在他的文章和专著中多次提到:
三个统一性是美的最重要属性,即
(1)感性和理性的统一或感觉和意识的统一;
(2)客观和主观的统一或人和自然的协调统一,即“天人合一”的思想;(3)形式和内容的统一,即造型和功能的一致。
归纳起来的桥梁美学法则是:
多样和统一,协调与和谐,以及比例、对称和韵律。
另外还有八纲:
即刚柔、动静、阴阳、虚实的矛盾和统一。
我的理解是,设计要有新意,要同中有异,要和环境协调,结构要求比例匀称,没有画蛇添足的多余装饰,有动感和韵律美。
2、“斩天堑”的简介
“天堑”即指长江,古来就是南北交通的天然屏障。
“斩天堑”,设计为跨越在滚滚长江之上的过江大桥,堪与南京长江大桥武汉长江大桥、江阴长江大桥相媲美。
全桥长1040毫米,桥宽160毫米,桥高230毫米,跨中竖支柱长210毫米,两侧小短柱长为80毫米。
横梁截面为:
高21毫米,宽15毫米,厚1毫米。
桥的横梁和竖直柱为箱型纸管拼接成整体,下部的悬索为1*15毫米纸带,结构简洁合理,充分发挥材料的性能:
纸带的抗拉强度高,用来受拉;箱型纸管的箱型截面适合于受弯受剪。
刚中有柔,柔中有刚,动中有静,静中有动,刚柔并济,动静结合,蕴涵着一种凝固的动感和韵律美;结构比例匀称、与自然环境相协调。
结构设计说明
1、结构选型
表1各种结构形式优缺点的比较
结构形式
优点
缺点
桁架
杆件只受拉、压,材料性能得到充分利用
结点不易处理,制作难度大,重量大
拱
受力合理、承载力大
制作复杂、重量大、计算烦琐(移动荷载作用下,拱处于弯、剪、压复合受力状态,稳定性不好验算)
悬索、斜拉
主要受拉,材料性能得到充分利用,跨度可以很大、重量轻
绳的弹性大,加载仪器不提供锚固,制作要求苛刻,无法实现
索拱
受力明确、合理,材料性能得到充分利用,重量轻,制作简单、上承式受荷便于小车通过,计算方便
对受拉纸带制作、安装要求高
通过上表的比较,我们容易得出结论:
无论从受力、重量、制作加工各个方面看,索拱结构都是我们的最佳选择。
我们的桥采用的结构形式为:
索拱结构。
外围是大的索拱,内层是两个小的索拱,这样索拱套索拱的结构形式可以减小横梁的计算长度,防止横梁的局部破坏,提高了梁的承载力;换言之,在相同承载力条件下,与不加两个小索拱的情况相比,它减少了横梁的卷纸的层数,减轻了重量。
结构受力明确合理,可以从荷载的传递方式看出:
小车荷载
桥面板
横梁
2、结构模型简化与荷载分析
(1)结构模型简化:
桥的两榀索拱结构,由长度、大小、粗细完全相同的杆件或纸带组成,两榀之间的连接通过三根很薄的联系杆连成整体。
由于三根联系杆很薄,我们可以忽略他们的承载作用,把我们的结构简化为平面结构来分析,简化后的计算简图如下图。
一、二号均为压杆,截面型式一样,如右图所示:
受拉弹性模量:
抗拉强度设计值:
受压弹性模量:
抗拉强度设计值:
一号杆长:
,二号杆长:
一、二号杆面积:
一、二号杆的惯性矩:
(2)荷载分析:
桥受的荷载主要是:
小车和砝码的移动动荷载(桥本身和桥面板的重量很轻,可以忽略不计)。
小车通过电机的牵引缓慢匀速地通过桥面,速度约为v=2cm/sec,由于这个速度很慢,我们认为每一时刻小车的荷载为静荷载,动力效应很小,但为了安全起见,我们还是粗略的估计一下荷载的动力放大系数D=1.1。
由简支梁的弯矩包络图可知:
小车在最不利位置时的静荷载分布图如下图所示:
静荷载最不利位置简图
2、内力分析计算
以下是用结构力学求解器得到的各内力图。
简化模型
轴力图
剪力图
弯矩图
4、构件承载力稳定性验算
(1)承载力验算:
故一、二号杆满足承载力要求。
(2)稳定性验算:
按最不利情况验算,一端固定,一端自由,取
=2。
如图所示:
回转半径
二号号杆:
压杆长细比:
允许长细比:
二号杆属于细长杆(大柔度杆),故采用欧拉公式:
故二号杆不会被压曲;一号杆比二号杆短,其临界荷载比二号杆大,故一号杆也满足稳定验算。
(3)纸带的抗拉验算:
所有纸带截面型式一样,故只需验算一条纸带即可。
纸带厚
,宽
,其横截面积
,故其抗拉承载力
满足承载力要求。
(4)桥面梁的验算:
在我们设计的结构型式中,桥面梁为一连续梁,处于压、弯、剪复合受力状态,若不考虑剪力的影响,可以认为桥面梁处于偏心受压状态。
桥面梁受力简化过程图
在最不利荷载作用下,如果受压侧和受拉侧的应力均小于纸的抗压、抗拉强度设计值,则桥面梁不会破坏。
满足受拉承载力验算。
满足受压承载力验算。
5、结构变形验算
以下是用有限元软件ANSYS,计算得到的结构位移图:
变形前
变形后
ANSYS算得的各结点的竖向位移文件如下:
PRINTUNODALSOLUTIONPERNODE
*****POST1NODALDEGREEOFFREEDOMLISTING*****
LOADSTEP=1SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGDEGREEOFFREEDOMRESULTSAREINGLOBALCOORDINATES
NODEUY
10.0000
2-2.2884
3-3.3416
4-2.2884
50.0000
6-2.2876
7-2.2876
8-3.1817
MAXIMUMABSOLUTEVALUES
NODE3
VALUE-3.3416
变形后的最大竖向位移图
可见,跨中最大位移为-3.3416mm
-30mm,结构位移满足要求。
VonMises应力分布图
6.局部受压验算
我们对各个重要的结点如:
支座处、竖直柱的短部等处都进行了填充实心小纸圈加固,因此节点和局部受压部位得到了充分加强,可以不验算。