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。