广告牌结构设计与模型制作钢铁侠计算书.docx

广告牌结构设计与模型制作浙江省大学生结构设计竞赛组委会二 一 三 年 五 月钢铁侠一、“钢铁侠”整体效果图及模型摘要 -3二、“钢铁侠”结构设计说明书 -4“钢铁侠”方案的构思 -4“钢铁侠”的结构特征 -5三、“钢铁侠”结构设计方案图 -6支撑结构图 -6广告牌结构图-7主要构件图 -8 部分节点图 -8四、“钢铁侠”计算书 -9计算过程 -9五、总结-15一、模型摘要：此广告牌模型的支撑结构为空间桁架结构，广告牌面结构则为框架结构。结构由刚度比较大的抗弯构件组成，且由撑杆使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，荷载主要由剪刀撑传给支柱，结构体系刚度和稳定性较好，承载能力较强。考虑到本次风荷载相当大，且材料本身抗压强度只有抗拉强度的一半，因此模型的主杆由三根角钢柱组成，由于薄竹片本身的脆性，并在角钢中再嵌入了一根2*2，支撑结构所有的横杆与斜杆都为2*2。 该模型充分体现了“创新、轻巧、实用”的时代趋势，且结构严谨，材料得到充分的利用，较好地实现了承载能力合理发挥，材料消耗恰到好处的结构设计原则。“钢铁侠”寓意着我们的结构像钢铁侠那般坚强稳固，风吹不到。整体效果图平面尺寸：120*120mm支撑结构：1000mm最大高度：1200mm主体构型：空间桁架结构二、设计说明：“钢铁侠”主体结构采用自立式塔架的空间桁架结构。整体构造承载能力强，抗扭能力突出，应力分布合理且造型美观。1、“钢铁侠”方案的构思在制作本次广告牌模型之前，我们小组从材料的性质入手，查阅很多关于空间桁架结构的资料，并通过多次加载试验，最终选定以直立式塔架结构为主要支撑结构。立式塔架结构是近几年来快速发展和应用的一种空间桁架结构形式。结构由刚度较大的抗弯构件(又称刚性构件，通常称为塔柱)和连接成正多面形的高强度的杆件以及连接两者的斜撑杆组成；通过对刚性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，如下图所示。该结构的主要的受力机理如下：施加在刚性构件上的弯矩使斜撑杆构件产生支反力，结构在荷载作用下的最终变形得以减少；撑杆对压弯构件提供向上的支承力，抵消掉部分由外荷载产生的弯矩，改善压弯构件的受力性能。总之，直立式塔架结构使压弯构件和抗拉构件优势互补，协同工作，其目的在于使每种构件都尽可能发挥材料的作用。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高的优点，直立式塔架结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较好，因而可以做成空间较大的结构。2、“钢铁侠”方案的结构特征直立式塔架结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面，塔柱，水平撑杆，斜撑杆三者优势互补，是种刚性构件起主导作用的刚性结构，这种结构具有以下特征。1、承载能力高直立式塔架结构中的腹杆为剪刀撑，可提供两个方向的刚度，由此保证了在每个方向上一定有两根单斜杆为压杆，因而使腹杆的强度得到了最大的发挥。除此之外，我们创造性地将横杆放到剪刀撑中间，不仅减小了剪刀撑的计算长度，还减小了支柱的计算长度，使分层加倍。2、 使用荷载作用下的结构变形小直立式塔架结构中的三根塔柱与撑杆形成整体结构后，这一结构的刚度就远远大于单根塔柱的刚度，在同样的使用荷载作用下，使自立式塔架结构的变形很小多。3、结构稳定性强直立式塔架结构在保证充分发挥刚性构件抗压和抗弯能力的同时，由于整个结构没个截面为正三角形而使体系的刚度和稳定性大为增强。同时，若适当调整撑杆和刚性构件的相对位置可保证直立式塔架结构整体稳定性。三、结构方案图：1.支撑结构图从图中我们可以看出，广告牌模型支撑结构的主体是三根抗弯刚度很强的角钢柱。支撑结构截面为120mm，且共分为8层，每层125mm高，这样使得剪刀撑与水平方向的夹角接近45，受力更加合理。同时我们将横杆布置在剪刀撑中间，使剪刀撑变为米子撑，不仅减小了剪刀撑的长度，提高了平面内的刚度，还减小了立柱的长细比，分层更加密，跨中弯矩更加小。2、广告牌面结构图从图中我们可以看出广告牌通过六根横杆与支撑结构箍牢，这样不仅能使广告牌面上的力顺利传到立柱上，还能降低广告牌的振动。为了减小广告牌框架上的弯矩，我们在广告牌框架角部设置了一根水平横杆，使得牌面上的弯矩得以调幅。3、主要构件图 （a） （b） (c)从图（a）中我们可以看到这是立柱的截面图671mm，嵌入杆件为2*2mm。 从（b）中我们可以看到这是支撑结构的横杆与斜撑的截面图，截面为2*2mm。 从（c）中我们可以看到这是广告牌面结构的框架杆件，截面为3*2mm。4、部分节点图四、“钢铁侠”计算书：针对结构设计模型建立ansys有限元模型，利用线性自回归过滤器的模拟技术，编制程序，进行davenport谱的风速时程的模拟，求得脉动风引起各节点的等效惯性力。采用时域法进行模型结构在不利风速下的位移、应力随机振动计算。1 计算方法利用随机模拟时程分析方法进行时域分析，具体步骤为: 1) 根据风荷载的统计特性,人工生成具有特定频谱密度和空间相关性的风速时程(激励样本) ,并转化为风压时程作用在结构上;2) 在时域内采用newmark 逐步积分法对运动方程进行求解,得到每一时间步的节点反应;3) 对响应样本进行统计分析,确定风振响应的均值、均方差。动力平衡方程为 (1)式中：m为质量矩阵；c为阻尼矩阵；k为刚度矩阵； , 分别为节点加速度,速度,位移向量；f(t)为施加到结构上的荷载向量。结构上任意点i承受的风荷载和风压为 (2) (3)式中：为点i处体型系数；为i点处的微小等效迎风面积；为空气密度；为平均风速；为脉动风速。 式（3）中的脉动风速是通过线性回归滤波器法得到。线性自回归过滤器的工作原理是：将人工产生的均值为零、具有白色谱的一系列随机数输入设计好的过滤器，过滤器将输出具有给定风速谱密度的随机数系即风速时间序列。 （4）式中：为自回归的阶数；为均值为0、方差为1的正态分布的随机数，即白噪声；为时间步长；为模拟生成的风速；为自回归参数，即 （5） （6）其中：为脉动风速谱；n为脉动风频率。采用davenport水平脉动风速谱。由式（5）、（6）可求得 （7）将由式（5）、（6）、（7）所得的参数代入式（4）即可生成2.有限元模型及动力特性分析2.1 模型及其相关参数本文模型中，竹片密度0.789kg/m，弹性模量10gpa,立柱惯性矩73.93图1. 有限元模型 模型中，梁、柱及斜撑杆均为beam4单元，立柱柱截面采用l型61mm截面，梁和斜撑杆截面采用22或23mm矩形截面。基于实际模型，简化考虑各单元刚性连接，并考虑立柱底端固定约束。相关参数见表1。表1 相关参数立柱截面/mml61横梁或斜/mm 22或23体型系数梁单元1.6beam4风向角/()地貌类别0b类 风速谱函数davenport谱2.2各阶振型及频率结构模型的风振响应性能除与外界风荷载特性有关外，还同其本身的动力特性有着密切联系。基于结构模型自振特性能很大程度上反映其本身动力特性，影响结构的风振响应，对其进行模态分析（自振特性分析）是十分必要的。因此，在进行动力响应分析前，有必要探讨结构的自振频率和振型。（1） 各阶振型 1阶 2阶 3阶 4阶 5阶 6阶图2. 结构振型图其中1阶振型以上部结构扭转为主，2阶沿迎风面作前后振动，3阶振型沿迎风面前后振动并伴有上部结构扭转（2）各阶频率 1. 6.975 2. 12.408 3. 14.267 4. 14.624 5. 24.611 6. 24.906 7. 25.839 8. 29.153 9. 31.296 10. 32.0592.2瞬态分析模拟过程中，选择模拟时间为60s，时间间隔为0.02s，共3000荷载步，分别考虑基本风速14 m/s下模型的风振时程响应，获得结构的位移响应，应力响应信息。迎风面上出现最大瞬时位移响应的61节点各方向位移时程响应曲线如下： x方向位移曲线 y方向位移时程曲线 z方向位移时程曲线图3. 位移时程响应曲线当t=46.56s时，最大瞬时mises应力为69.2mpa，出现在立柱底端矩迎风面最近处，如下图所示图4. 最大瞬时应力云图当t=46.56s时，最大瞬时位移为15cm，出现在迎风面右上角，如下图所示图5. 最大瞬时位移云图虽然理论分析上结构是不利的，但在试验过程中结构模型很好地抗住了14m/s的风速。五、总结：经过一个半月的努力，我们成功做出了6个模型，经过多次的修改终于得到了最终的模型“钢铁侠”。从一开始的无从下手，到后来可