竹高跷结构模型设计书.docx
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竹高跷结构模型设计书
兰州大学第八届结构模型设计大赛设计方案
项目名称：
竹高跷结构设计模型
队伍名称：
土木年华组合
项目完成人：
庞凯敏周梦龙马佐伟
所在学院：
兰州大学土木工程与力学学院
完成时间：
2014年4月17日
竹高跷作品
设计人：
庞凯敏周梦龙马佐伟
1.设计构思
1.1竞赛赛题分析
1.本次竞赛要求制作竹高跷模型，模型整体包括竹高跷模型和踏板两个部分。
2.踏板固定在竹高跷模型顶面上，将来自参赛选手的荷载通过踏板A、B、C三处实木条传递至模型。
踏板由组委会提供。
3.竹高跷模型由参赛队使用组委会提供的材料及工具，在规定的时间、地点内制作完成，其具体要求如下：
（1）模型采用竹材料制作，具体结构形式不限。
（2）制作完成后的高跷结构模型外围长度为400mm±5mm，宽度为150mm±5mm，高度为265mm±5mm；模型结构物应在下图所示的阴影部分之内。
（3）模型底面尺寸不得超过200mm×150mm的矩形平面。
4踏板由组委会提供，其结构及尺寸如下图所示。
踏板结构的面板为中密度板，面板上固定有A、B、C三根实木条，通过热熔胶与竹高跷模型固定。
参赛选手用热熔胶将参赛鞋固定于踏板上，踏板上设有4个直径为15mm通孔供穿绕系带（系带由组委会提供），以进一步固定参赛鞋（参赛鞋由各参赛队自备，建议选用类似轮滑鞋的可以保护踝关节的高帮鞋）。
图2踏板结构图
踏板与竹高跷模型固定后的模型整体高度应为300mm±5mm。
如图3所示。
在踏板与模型连接处的外侧（图3中的a、b处）允许增加构造物以进一步提高连结强度，构造物的高度不得超过10mm。
5.材料：
（1）竹材，用于制作结构构件。
竹材规格及数量见下表.
竹材规格及数量竹材规格
竹材名称
数量
1250×430×0.50mm
本色侧压双层复压竹皮
5张
1250×430×0.35mm
本色侧压双层复压竹皮
6张
1250×430×0.20mm
本色侧压单层复压竹皮
5张
注：
竹材力学性能参考值：
弹性模量1.0×104MPa，抗拉强度60MPa。
（2）502胶水，10瓶（规格25克），用于模型结构构件之间的连接。
1.2模型设计思路
1.模型主要承受竖直动荷载和静荷载，要求模型有较强的抗压性能。
按设计要求，在踏板承受较大的竖直动荷载和静荷载，因此，我们选择了整体构造截面为梯形的框架结构，并且利用支撑，使结构具有较好的整体性，以便承受较大的动力荷载。
结构整体为左右对称，质量刚度沿截面形式均匀分布，上部结构重心位于同一平面内，做到了受力方式合理，传力路径明确，整体性、较好。
3.在加载过程中，荷载等效为集中荷载作用于杆支撑。
通过连接，该模型的杆件形成了一个统一的整体。
踏板在均布荷载作用下，将力以集中荷载的方式传给受弯杆件，在中间附加杆件的作用下加强了主要支撑杆件对荷载的抵抗能力，也提高了整体稳定性。
4.充分利用竹质材料的特性，抗拉强度远大于抗压强度，充分利用了附加杆件的抗拉性能。
5.所有的杆件均采用圆筒实心结构，最大程度地增大杆件的抗压强度。
6.在设计合理的前提下，我们必须保证我们的做工精细、合理，这样才能使设计的模型最大程度的展现其作用。
2.作品介绍
2.1尺寸参考数介绍
主要承重结构：
撑杆，踏板
杆件尺寸与数量表：
标号
形状
尺寸（直径）
长度
数量
主要杆件截面
15mm
281mm
8
附加杆件截面
15mm
192mm
4
附加杆件截面
15mm
295mm
2
附加杆件截面
15mm
200mm
2
附加杆件截面
15mm
150mm
2
2.2结构三视图
实物图
正视图侧视图
俯视图
2.3设计作品特色
●形体规则，结构简单，结构简单性保证承载力有明确而直接的传力路径
●结构体系合理，有效避免结构或构件局部破坏
●受力明确，力传递途径合理
●节点加强处理，提高薄弱部位连接能力
●制作方便，符合竞赛规则
在遵守规则的前提下，我们综合考虑各个因素设计的高跷模型有以下六个特点:
1.从结构外形看，结构前后对称，左右空间对称，质量刚度沿截面形式均匀分布，避免结构模型偏心受扭，结构简单，传力路径明确，稳定性、整体性好；
2.根据动荷载分布规律，结构受力特点等，我们从增强刚度和采取构造措施对底柱采用支撑做了加强处理；
3.考虑材料有较高的抗拉性能，结合材料的力学性能，我们的较好的利用了附加杆件的抗拉性能。
4.在整体结构与踏板的粘结处部分采用热熔胶填实，从而保证粘结端成为刚性节点。
5.在结构的上半部的左右采用了空间对称的对角式小型斜拉杆，既增强了抗压性能、节省了材料，又未改变整体的几何中心位置，使该部分构件最大拉应力和最大压力同时达到材料的许用应力。
2.3形体设计说明
●左右对称竹高跷结构模型
采用左右对称竹高跷结构模型。
在加载过程中，荷载等效为集中荷载作用于支撑杆上。
通过拼接，该模型的踏板和杆件形成了一个统一的整体。
踏板在均布荷载作用下，其弯矩使得主要承重杆件受压。
杆件之间设有斜杆做支撑抗剪能力，使得支撑部分与抗剪连为一个整体，并且加强杆件对荷载的抵抗能力。
合理安排杆件的间距与横截面尺寸，使得梁能在结构不破坏、满足位移要求的条件下尽可能多的承受荷载。
●结构外形
结构平面为上底长400mm，下底长200mm，高为265mm的梯形，整体为梯台结构。
●材料截面选择
我们采用圆柱承受静荷载和动载，踏板与圆柱杆件相连接，各杆件相互连接。
所有圆柱杆件由截面面积177mm
空心构件，踏板是厚度为10mm的木质板。
●节点设计
在模型的每个节点都用铰接，在用胶水粘粘，最后再外用薄片粘结避免裂缝导致受力路径间断而使作用力不能连续传递导致节点先破坏，从而尽可能将节点模拟成为刚性节点形式，使各杆在此节点既不能相对移动，也不能相对转动。
3.简单受力分析
3.1高跷模型踏板相对来说刚度很大，可简化为绝对刚性，杆件与杆件之间、杆件与踏板之间由于只靠520胶水粘接，介于铰接和刚接之间。
假设其近似看成铰接，所以整个结构可简化为上端铰接于一巨大刚片的空间桁架。
假设一个人的体重为100KG即为980N故上图集中力可假设为245N（杆件长度尺寸上图已标出），考虑到制作材料为竹皮，故将其卷成圆杆最具有可操作性，初步设定其直径为15mm。
考虑到因为在人跑动过程中会产生水平向制动力，假设该人奔跑时高跷与地面摩擦系数为0.5（便于安全考虑），则水平制动力为490N，该平面桁架的水平力为245N。
位移图
轴力图
位移计算
杆端位移值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角
-----------------------------------------------------------------------------------------------
1-0.072387390.02243039-0.000211150.000000000.00000000-0.00021115
2-0.072387390.022430390.00000000-0.085130000.02243039-0.00000000
30.000000000.00000000-0.00026707-0.072387390.02243039-0.00026707
40.000000000.00000000-0.00025324-0.085130000.02243039-0.00025324
5-0.085130000.02243039-0.000309160.000000000.00000000-0.00030916
60.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
70.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
80.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
-----------------------------------------------------------------------------------------------
内力计算
杆端内力值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩
-----------------------------------------------------------------------------------------------
1-290.382091-0.000000000.00000000-290.382091-0.00000000-0.00000000
2-112.590176-0.000000000.00000000-112.590176-0.00000000-0.00000000
328.5185284-0.000000000.0000000028.5185284-0.00000000-0.00000000
4-318.450693-0.000000000.00000000-318.450693-0.00000000-0.00000000
556.58712960.000000000.0000000056.58712960.000000000.00000000
60.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
70.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
80.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
-----------------------------------------------------------------------------------------------
则
强度可靠
又考虑到其受压稳定情况
由于没有竹制结构压杆的稳定因数，取木制结构的压杆稳定因数（TC13）计算公式代替
稳定性可靠
若考虑结点为刚接，则有
位移计算
杆端位移值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角
-----------------------------------------------------------------------------------------------
1-0.071658860.02255117-0.000164830.000000000.000000000.00000000
2-0.071658860.02255117-0.00016483-0.084394680.02229617-0.00021144
30.000000000.000000000.00000000-0.071658860.02255117-0.00016483
40.000000000.000000000.00000000-0.084394680.02229617-0.00021144
5-0.084394680.02229617-0.000211440.000000000.000000000.00000000
60.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
70.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
80.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
-----------------------------------------------------------------------------------------------
内力计算
杆端内力值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩
-----------------------------------------------------------------------------------------------
1-289.4823940.46901797-51.9604986-289.4823940.4690179780.8842362
2-112.530188-1.39306768133.516156-112.530188-1.39306768-145.097379
326.20873560.67799368-110.47939526.20873560.6779936881.5556574
4-316.0475320.53995969-95.0198438-316.0475320.5399596957.9184366
555.75088990.74657237-87.178942655.75088990.74657237124.280349
60.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
70.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
80.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
-----------------------------------------------------------------------------------------------
位移图
轴力图
剪力图
弯矩图
又考虑到其受压稳定情况
稳定性可靠
从上述分析可知，每个杆件受力情况不同，可对原先假设的15mm直径的圆截面做进一步优化设计
考虑到杆件受压稳定（增大
值，需减小
，故需增大i，即增大I）及其弯矩影响，截面惯性矩增大有利于承载，相较于圆形截面，工字型截面惯性矩要大的多，可设计成腹板为
，两翼缘为
的工字型截面，其面积为
，惯性矩为9963
，远大于圆截面的3217
。
另外，可考虑将（3）、（5）、（6）、（7）、（8）杆截面面积适当减小，使结构整体更加轻盈。
具体可视称重情况而定。
3.2强柱、更强节点核心区
结构应具有必要的承载力，刚度、稳定性、延性等方面的性能。
主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度。
承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
合理控制结构的非弹性部位（塑性铰区），掌握结构的屈服过程及最后形成的屈服机制，采取有效措施防止剪切和脆性破坏。
为保证结构在集中荷载快速移动过程中安全，结构单元根据具体情况，采取加强连接的方法。
参考文献：
《理论力学》第七版哈尔滨工业大学理论力学室编
《结构力学》第二版龙驭球包世华主编
《材料力学》第四版孙训芳方孝淑主编
《弹性力学简明教程》第三版徐芝纶主编
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