结构创新设计(扶壁式挡土墙).doc

结构创新设计说明书1设计构思 1.1 造型构思本团队旨在保证模型重量以及牢固程度的前提下，能承受最大的土压力为目标，经过反复试验，多次论证，最终决定采用此结构。此挡土墙结构，对于侧边结构与扶壁结构的考验相当大。我们参照实际中比较成功的挡土墙实例和其余同学所制作模型的优缺点，决定采用整体三角支架结构与底部吊拉纸带相结合的体型作为本组的结构造型。作为最主要材料的白卡纸，本组考虑挡土墙后壁强度较低，易变形，所以，需将其在受压要求不同的部位合理布置杆件，才能发挥其自身功效。于是本组考虑在整体三角支架结构中，按受力计算后的结果，分别用纸做杆件的光滑面与粗糙面折叠包裹。而对于吊拉的纸带，则全部考虑使用光滑面朝外的纸带拼接，添加横杆，以加强分散钢珠对后壁所施加的压力。 1.2 结构体系的选择本次结构设计所要求的纸质扶壁式挡土墙结构在后壁和侧边处受压，易发生变形倾覆现象。从而，本小组采用的整体三角支架结构，一方面将所受的力分散到各个杆件上，另一方面增强支架与纸质后壁的整体性。本组设计的结构在多次试验中，由于人为加载不均匀及钢珠加载速度不易控制，导致了加载失败。对于侧边强度较低受压易变形的弱点，靠添加受力杆件，分散局部压力的办法，从而保证模型整体性。由于考虑到支架部分与纸质后壁在连接部位的整体性不够，易造成支架与纸质后壁分离现象。故在拼接时，本组强化处理了该处杆件的布置。采用底部吊拉纸带连接后壁与支架的方法，从而增强了模型整体性。综合上述几种主要的破坏现象，方案的选型由此而定。 1.3 特色说明 我们的模型以一种简约而实用的姿态出现，自然有若干独具特色的地方。此结构白卡纸用量：230g白卡纸一张，实际使用不足120g。对于节点的处理，本组采用纸片粘合连接。这是由于纸质结构的节点无法达到实地工程材料所界定的完全刚节点或铰节点。同时，在多次试验中，本组发现用纸片的粘合，不仅可以使节点得到美观的加固，更重要的是其具有辅助传力的作用。并且在结构计算时，可以近似成刚结点的构型，一举多得。对于支架杆件的制作，本组采用加厚主要杆件的方法制作。这是由于所选纸杆的横截面为矩形，比圆形杆件更易连接，较其他型杆件制作方便且计算简易。而且主杆将承受更大的荷载，不能片面的靠改进体型来加强抗力，还要注重提高重要部件的自重来增加功效。对于纸带的运用，本组在结构底部加以体现。这是由于纸带是一种很好的受拉材料，比纸杆更轻、更具韧性。这样，不仅能发挥纸带的特性，增加结构整体性，减缓结构的倾覆，同时还为结构减轻了自重。为保证构件的整体性，与精准度，我们的纸杆及纸带先用绘图软件绘成展开图，然后打印在普通白纸上，再将其描到白卡纸上进行剪裁，并且标好序号，以免连接出错。非常有效的提高的制作的速度跟精确度。2模型设计图纸 2.1 结构作品效果图 2.2结构布置图 2.3主要构件详图和节点图 3理论分析 3.1结构计算简图的选取主要采用将模型简化，近似等效成平面的钢架体系进行计算，而计算部分运用如图清华大学土木 工程系结构力学教研室开发的“结构力学求解器”软件进行大部分计算（图1）。 1. 由于根据本模型加载方向得知主要承力方向为竖直方向。于是去掉竖平面以外的横杆可以得到如图的主结构图，且根据结构本身特性，每个连接 处采用纸片外层粘合来使转角足够小，可以将其假 （ 图1 ）设为刚接。2. 而加载台的固定装置相当于刚性约束，不会有转角，所以在固定装置处设计刚接。3. 同时由于纸带会在节点处转动，因此在纸带连接的地方用铰接点。杆与杆连接的地方有用白乳胶连接，外层还有加一片纸片粘合，故可视为刚接。综上所述则可以得到如图2的基本计算模式 （ 图2 ）已知荷载：扶壁式挡土墙承受40kg钢珠荷载。截面性质分析：各连接处的截面的增大不考虑用以结构的安全富余，则基本的截面就是上面两种截面，按照材料力学的计算方法计算量截面的抗拉的抗弯刚度： 3.2内力计算计算思路：内力分析计算采用清华大学土木工程系开发的结构力学求解器进行计算：（计算过程中的基本单位为：力，N；长度，mm）（1）计算模型输入根据前面假定的计算模型输入，如下程序代码：（2） ,1,0,0（3） ,2,2.5,0（4） ,3,13,0（5） ,4,13,10（6） ,5,13,21（7） ,6,13,27（8） ,1,2,1,1,1,1,1,1（9） ,2,3,1,1,1,1,1,1（10） ,3,4,1,1,1,1,1,1（11） ,4,5,1,1,1,1,1,1（12） ,5,6,1,1,1,1,1,1（13） ,4,2,1,1,1,1,1,1（14） ,5,1,1,1,1,1,1,1（15） ,1,7,1,1,0,0,-1（16） ,3,2,0,0,0（17） ,1,1,0,0（18） ,2,1,0,0（19） ,3,5,3.622,2.28,0,1,-90（20） ,4,5,2.28,0.805,0,1,-90（21） ,5,5,0.805,0,0,1,-90（22） 内力计算 在结构力学求解器中输入以上所有程序代码，并分别进行求解内力即可得到如下数据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 9.62501289 2.62101836 -10.2093443 9.62501289 2.62101836 -3.65679849 2 30.2890503 5.14521987 -16.6175599 30.2890503 5.14521987 37.4072486 3 32.7535502 -18.6034496 37.4072486 32.7535502 10.9065503 10.1060855 4 14.2181473 -9.75748711 11.0482029 14.2181473 7.21001289 11.9100113 5 0.00000000 -2.41500000 4.83000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 6 -27.7466498 -0.82887200 -0.94211734 -27.7466498 -0.82887200 -12.9607614 7 -17.1553650 -0.70002555 7.08001133 -17.1553650 -0.70002555 -10.2093443-图4.轴力图 图5.剪力图- 弯矩图 图5.位移图3.3 承载能力估计 根据以上的计算，可以看出结构在40kg荷载作用下，结构的最大水平位移基本可以控制在20mm以内，（7）号杆压力相对来说比较大，而且其也比其他的要长许多，虽然此杆做了加强，还有可能失稳破坏，在结构局部做加强处理后，在实际加载过程中，看实际变形情况，竖向荷载可以适当增加