纸质结构模型设计方案书

1 工工 程程 训训 练练 2013 2014 学年第一学期 题目题目 世纪大桥世纪大桥 纸结构模型设计纸结构模型设计 学科部名称 理工学科部 专业 班级 土木 112 班 姓名 学号 指 导 教师 丁声荣 2 世纪大桥世纪大桥 理论分析计算书目录理论分析计算书目录 一 设计说 明 1 二 方案构思及可行性分 析 1 三 模型三面透视图 实物图 2 3 四 主要构件 结点详图 主要构件 图 4 构件细部 图 4 6 结点详 图 6 11 3 五 模型荷载分析 内力分析及承载能力估算 内力分 析 12 荷载分 析 12 承载能力估 算 12 13 六 实际制作 杆件的制 作 13 结点连接处 理 13 七 加载实验 附组员和模型照片 13 17 八 分析与总 结 17 4 一 设计说明 根据工程训练任务书的要求 我们组从模型制作的材料抗压特性 抗拉特 性和静力加载形式等方面出发 结合节省材料 经济美观 承载能力强的特点 采用了纸质材料 白乳胶以及热熔胶等材料制作了该模型 世纪大桥 在模型结构分析的基础上 我们对以下几种设计方案进行了分析 1 简支梁 简支梁受部分均布荷载 由于构件受弯是非常不利的 因此如 果选用简支梁的形式 梁纵截面应选用鱼腹梁的形式 但制作难度大 如果梁 为几片相同形状的纸粘接加厚而成 则侧面易失稳 因此不便采用 2 拱形结构 拱桥最适于承受均布荷载 但在制作上较费材料 由于拱桥 需要由很密的拱作片拼成 中间加肋 因此桥的自重较大 不便采用 3 桁架结构 由弯矩分布可以看出 采用梯形桁架较接近弯矩分布 是合 理结构 由于在要求荷载下 架桥水平方向必有压力 且要承受部分均布荷 是处于局部弯压状态 要使构件有较良好的压弯性能 必须多用材料 因此考 虑通过局部构造措施 将均布荷载转换为两点或多点集中荷载 结构须是对称 的 经过组内讨论 我组最后决定采用三角形作为主要承重结构 取模型高度 为 300mm 跨度为 700mm 整体长度 1190mm 宽度 200mm 整体采用纸筒结构 中间倒 V 字型杆件角度为 98 47 51 符合结构要求 由于加载位置位于结构中心 100mm 宽度 220mm 长度的范围里 因此加载 位置必须要有做够的强度来支撑 将三角形的一个点来承受荷载 另外两条斜 边将荷载传到地面 三角形最下面一条边用于锁住两条斜边 保证整个结构在 加载的过程中不会发生较大变形以致破坏无法继续加载 同时承受荷载的杆件 必须足够的结实 这就要求我们在卷纸杆件时必须紧实 我们整个结构都采用三角形 这样可以使结构的整体性得到保证 在构件 的连接方面 我们采用的是热熔胶 这种胶有很强的粘附性 并且在胶冷却之 后能够使纸质杆件之间以及杆件和胶有很好的连接强度和刚度 这样 我们结 构的整体稳定性和刚度能得到进一步提高 这是非常好的 三 模型三面透视图 实物图 5 俯视图 主视图 6 右侧视图 左侧视图 7 四 主要构件 节点详图 构件细部图 8 9 节点详图 10 11 12 13 14 五 模型荷载分析 内力分析及承载能力估算 在这部分 我组利用 SM Solver 这款软件辅助计算杆件内力 结构模型见下图 根据承载方式 承载台是压在结构中间的 承载台宽度为 100mm 长度为 220mm 我组的结构能够让承载台稳定地放置 15 1 内力分析 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 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 2 0 00146484 0 00281752 0 00000000 0 00146484 0 00281752 0 56350414 3 0 06518555 0 00667005 0 56350414 0 06518555 0 00667005 1 77101301 4 0 06811523 0 00667005 1 77101301 0 06811523 0 00667005 0 56350414 5 0 00439453 0 00281752 0 56350414 0 00439453 0 00281752 0 00000000 6 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 0 00000000 7 0 00390625 0 00000000 0 00000000 0 00390625 0 00000000 0 00000000 8 0 00948757 0 57918179 0 00000000 0 00948757 0 57918179 17 3754537 9 0 00948757 0 06435353 17 3754537 0 00948757 0 06435353 0 00000000 10 0 76000977 0 00000000 0 00000000 0 76000977 0 00000000 0 00000000 11 0 75604250 0 00000000 0 00000000 0 75604250 0 00000000 0 00000000 12 0 00948757 0 57913227 0 00000000 0 00948757 0 57913227 17 3739682 13 0 00948757 0 06434803 17 3739682 0 00948757 0 06434803 0 00000000 14 0 00343058 0 00000000 0 00000000 0 00343058 0 00000000 0 00000000 15 0 64331055 0 00000000 0 00000000 0 64331055 0 00000000 0 00000000 根据以上内力求解数据可知 10 和 11 号杆件的内力最大 而 9 和 13 号杆件的弯矩最大 因此 我组在结构设计时 将这四根支撑杆件以及 两根纵向主杆卷得非常紧而且粗 2 荷载分析 作用在桥面上的是静荷载 而且是逐级加载的 作用点在模型的中点 力 通过两根主斜杆传到接触面 由于斜杆上的力在地面接触点会分解成为垂直于 接触的压力以及平行于接触面的分立 垂直与接触面的压力可以直接将荷载传 递给接触面 而水平分力则会使两根主斜杆向两侧移动 这时就需要设置在底 部的拉杆来锁住斜杆 柱子则可以顶住斜杆 以减小斜的杆侧向位移 四根柱 子除了有支撑起全部结构的作用外 还要承受很大的弯矩作用 所以在制作模 型时 连接点的热熔胶涂得非常均匀切密实以增强整体性 3 承载能力估算 根据内力计算以及模型做成之后的预压 预计承受 3KN 以应该上没问题 下图是组长坐在模型上的情况 体重 62KG 经检查 模型挠度小 没有达到 25mm 上限 16 六 实际制作 1 杆件的制作 根据设计图纸 全模型由 37 根杆件构成 其中 两根纵向主杆由 4 张 A0 图纸卷成 四根斜杆由 20 张 A2 图纸卷成 四根柱子由 20 张 A3 图纸卷成 四 根细斜杆由 8 张 A3 图纸卷成 其余的杆件由 A4 或 A3 卷成 在卷杆件时先用 A4 纸做好内芯 3 个组员一起卷 1 个组员按住纸 这样在卷大杆件的时候就 容易很多 也卷得紧 每卷一张图纸时 在开头和结尾处都涂有白乳胶 并且 等胶干得差不多时再卷下一张 这样不但可以降低废品率 而且有利于增加杆 件强度 2 结点连接处理 我组根据结点详图来经行切割 使杆件之间的截面接触紧密 在杆件连接 顺序方面 先将桥面所有杆件粘结好 再将四根竖杆粘上去 接着再粘四根主 斜杆 然后再将各种小杆件粘上去构成一个整体 最后在每一个结点补好胶就 完成啦 七 加载实验 加载实验在土建 1 楼加载实验室里进行 自重 21 8N 应该算是最重的了 话不多说 加载正式开始 见下图 17 荷载位移曲线图形如下 18 由上图可知在模型加载处竖向位移为 22mm 的时候结构发生破坏 还没达到 25mm 经检查发现是下面拉杆与竖杆连接处发生破坏 破坏点处的热熔胶没有 连成整体 导致受拉力过大而破坏 破坏点见下图 19 20 最终在破坏时承受的最大荷载为 2851 6N 见下图 附上全组成员和模型的合影 21 八 分析与总结 1 本结构主要是利用两个三角形来承受竖向静荷载的作用 2 本结构利用了纸筒抗拉能力强的特性来做底部拉杆 竖向支撑杆件可以 做成空心来节省材料 承受