单跨简支结构设计计算书.doc

0 单单 跨跨 简简 支支 结结 构构 设设 计计 计计 算算 书书 1 目目 录录 1 结构选型结构选型 3 1 1 方案构思 3 1 2 结构选型 3 1 3 结构特色 3 2 结构设计结构设计 4 2 1 结构外形设计 4 3 3 结构静力分结构静力分 5 4 模型成品图模型成品图 5 5 模型制作及加载模型制作及加载 6 结结 语语 6 2 1 结构选型结构选型 1 1 方案构思方案构思 本次比赛题目为 纸质单跨简支结构设计 根据竞赛规则要求 设计的结 构模型要考虑在静荷载作用下的承载能力 要求在保证结构强度 刚度和稳定性 的前提下 设计出模型结构合理 材料利用率高 承载能力大的方案 因此 方 案构思从结构强度 静力稳定性及结构优化等方面 对结构形式进行遴选 本次竞赛的纸质单跨简支结构模型主要承受竖直静荷载 竖直荷载较容易 满足 加载时可能会由于偏载产生侧向倾覆 则要求结构有一定的抗倾覆能力 作品命名为凌空越阻 他不仅寓意着我们设计的结构可以跨过前进道路上的 任何阻碍 也寓意着我的的团队可以冲破阻碍取得胜利 因 本作品主要靠两个 拱来承受并传递压力 因此 我队模型方案构思总体说明如下 1 我组采用拱形结构 主承重拱采用 2 根 940 8mm 的拱形构件和 2 根 940 5 的受拉杆件 2 节点处采用锚固的方式来保证力能够很好的传递 3 侧向采用 15 4mm 横杆固定在主承重柱上起到抗扭抗侧向位移作用 1 2 结构选型结构选型 按设计要求 模型加载试验采用跨中静力加载 加载的同时 测量结构跨中 的竖向位移 每级加载有效持续时间 15 秒 每件参赛模型共有 4 次加载机会 其中前 2 次加载的荷载必须按照计算书方案进行 后 2 次加载荷载可根据现场情 况进行适当调整 加载只能单调增加荷载 不允许先卸载后加载 每级加载后 必须持荷 15 秒以上 不含 15 秒 方能继续下一级加载 此外 在同一级荷载加 载过程中 每次加载砝码的间隔必须小于 5 秒 每个参赛模型最大加载荷载不能 超过 120Kg 现场提供 1 20Kg 不同等级砝码 以模型荷重比来体现模型结构的合 理性和材料利用效率 为了使结构更加的稳定和行走更加便利 在制作过程中我组的制作工艺更加 精细 经过实验 最终选定现在的结构 我们组结构设计为了美观性 将结构设 计成拱形增加了美观性 同时我们经过计算 此拱形不但增加了美观性 而且受 力合理 1 3 结构特色结构特色 在遵守原则的前提下 我们综合考虑各个因素设计具有以下四个创意点 3 1 1 创意点一 创意点一 根据静载的分布规律 将结构设计成拱形 使其在上部承受压力下部承受拉 力 充分利用材料的抗拉强度 2 2 创意点二 创意点二 考虑材料抗拉性能良好 结合材料的力学性能 我组设计结构为拱形 增强 结构的承载能力 3 3 创意点三 创意点三 各杆件根据其所在位置不同和其所受力的大小采用不同的截面形式以达结构 所需的强度 4 4 创意点四 创意点四 我们组结构设计为了经济性和美观性 将结构设计成拱形 同时我们经过计 算 此拱形不但实现了经济性和美观性 而且充分发挥了材料的力学性能 依据以上创意点加上精细的制作环节 我们制作出的结构荷质比相对可以较 高 本结构是在我们制作结构对结构进行试验的多次循环反复而后的出来的结构 它凝聚了所有的试验所得的经验 它的优点 1 从结构的外形上看 我们选择由拱作为主体形状 受力均匀并且结构 稳定性强 2 符合设计理念 并能承受住较大的荷载 3 构件之间相交时 节点通过锚固连接 用乳白胶加固 这大大提高了 斜杆的稳定性和强度以及杆间的黏结力 2 结构设计结构设计 2 1 结构外形设计结构外形设计 模型纵向长度大于 940mm 模型的外轮廓横向宽度 160mm 模型高度在 280mm 结构采用弧形框架加强稳定性和抗弯性 2 2 截面组合设计截面组合设计 我们用杆件受主要荷载 后通过拱形将力传给底部受拉杆件 主体承力弧形杆由横截面为直径是 8mm 的空心杆件 杆与杆之间主要靠锚固 形式连接 各杆件截面的组合形式及尺寸见表 1 所示 表 1 构件截面组合形式 杆件号截面形状 尺寸直径 mm 长度 mm 数量 1 8mm 940mm 410 50mm D 10mm 2 根 4 根 4 根 2 个 4 2 8 6mm410mm 160mm 2 4 根 3 8 6mm280mm 160mm 各 2 根 2 3 节点设计 主体框架结构相交的节点由于杆在加静载时会引起较大的剪力 故用锚固连 接 图图2 12 1 楔形结连 楔形结连 图示比例图示比例30mm30mm 35mm35mm 3 结构静力分结构静力分析析 2 1 计算简图 5 2 2 内力分析 在受到荷载时 底边两根纸带受到拉力 各杆件收到轴力 剪力 和弯矩 由结构力学求解器求得 在荷载作用在四根倾斜柱子端点位置时结构内部弯矩如图所示 此时 结构内部的轴力如图 6 剪力图如下 四根倾斜杆件横截面图 连接四根倾斜杆横向水平细杆横截面 7 位移计算图 查资料得 250g 的白卡纸的厚度为 0 33mm 抗压强度许用值为 7 0N mm2 抗拉强度许用值为 22 2N mm2 弹性模量为 1400N mm2 2 3 内力计算 对于四根倾斜杆 若承受 50kg 重物的压力 则每根杆分得的压力为 125N 轴力N25 176 45cos FN F 杆件横截面面积 A 2 22 mm64 81 A R r 杆件伸缩量 可忽略不计mm EA LF L N 77 0 杆实际能承受重力 N4 1812AF实际 8 杆能承受的竖向荷载 远大于 125NN7 128145cos4 1812F 对于杆件失稳情况 2 2 L EI F 惯性矩 I 49 44 m1053 3 d D 32 此时 杆件在不失稳的情况下能承受最大力为 大于 125NN68 197 5 0 1053 3101400 F 2 9 62 对于横细杆可承受最大轴压力 AFN r R A 22 远大于 125NN3 1115FN 所以构件十分安全 9 4 模型成品图模型成品图 10 5 模型制作及加载模型制作及加载 1 在制作过程中 先将各个杆件制作好 2 然后所有成员一起粘接杆件 3 最后组合各个杆件在一起从高跷底部从下往上粘接 4 结构模型加载台系统示意图 结 语 1 本结构主要是利用杆的拉力来抵抗荷载的作用 2 本结构利用纸条的抗拉性能 及抗压性能来抵抗荷载的作用 3 根据分析的结论 我们选择拱形作为主体截面形状 工艺简单 受力均 匀 4 根据模型的受静