竹皮结构参考手册第二

1、竹皮结构设计与制作参照手册（第二版）学校：中国石油大学（华东）专业：土木匠程系指导老师：杨文东编制人员：邹翼程玉珍王庆曹文邹鹏宇2017年4月1日参照论文：竹皮结构设计与制作解析前言为了迅速提高参赛选手在大学生结构设计竞赛上的竞争力，依靠国家级大学生创新创业训练计划项目（项目名称：木质双塔连体结构优化设计与制作：项目编号：201610425042）由我校参加华东地域第十二届大学生结构设计竞赛的指导老师和比赛选手组成编写小组，编制了竹皮结构设计与制作参照手册。在编制过程中，总结了华东地域第十二届大学生结构设计竞赛的比赛经验及模型的制作技巧。本参照手册只是初步对杆件性能、模型设计和制作技巧进行总结

2、，还有大量的后续工作仍待此后的参赛选手和老师进行补充与修订。竞赛模型为木质双塔连体结构，采用竹皮材料制作，模型由主塔楼和连廊共同组成，模型制作完成后，与木质底板固定，木质底板采用夹具固定于加载台上进行加载。图1为连体结构模型示意图。赛题详细要求见附录。图1目录材料与工具21材料21.2工具32构方法浅析42.1构型42.2构解析53构的制作83.1制作前期准83.2制作工11构件与构的化与新154.1构件的化与新154.2构的化与新204.3构的化想26致26附第十二届构大2711材料与工具1.1材料1.1.1竹皮有如下三种规格：竹材规格1250 x430 x0.50mm1250 x430 x

3、0.35mm1250 x430 x0.20mm款式本色侧压双层复压竹皮本色侧压双层复压竹皮本色侧压双层复压竹皮力学性能参照值：弹性模量1.0 x104MPa,抗拉强度60Mpa，抗压强度20MPa，泊松比0.311.1.2502胶水（1）应选择质量较好的胶水。502胶水的质量参差不齐，选择一种能瞬粘且粘性强的胶水对模型制作有很大的帮助。（2）502胶水同铁制品的粘结力衰，在制作杆件时，可在下方铺铁皮或其余铁制品，以防杆件与桌面粘接及桌子的破坏。21.2工具砂纸打磨杆件端部，获得所需要的杆件精准尺寸打磨结构节点处接触面以增加接触面积橡皮、直尺、铅笔在竹皮上绘制杆件平面设计图剪刀、美工刀切割修剪材

4、料镊子用以夹持细小构件，防备胶水粘手橡胶手套防备双手（也能够用胶布缠绕指尖）3结构设计方法浅析设计模型前应付赛题有充分的认识，包括所使用材料的力学性能（如竹皮的顺纹抗拉强度优越），模型的加载方式及其比赛得分算法（重要）。2.1结构选型结构采用竹皮作为材料，结点粘接较为牢固，且在实际制作中结点可加强办理，因而结点可视为刚结点。赛题要求该结构拥有一定竖向承载力的同时拥有较大的抗侧刚度，下面以结构的抗侧力构件为例，阐述结构选型过程受骗算机协助设计的方法。选择知足赛题要求的抗侧力构件如图2所示，分别为纯矩形刚架、三角刚架及内部设置斜杆的矩形刚架。图2结构抗侧力构件2.1.1抗侧力构件的定性解析纯矩形刚

5、架其侧向位移主要源于竖杆的弯曲变形，其内部无抗侧力杆件，虽然节俭材料但抗侧刚度较小。三角刚架其侧向位移主要源于斜杆的拉压变形，能节俭材料的同时抗侧刚度较大。内部设置斜杆的矩形刚架其侧向位移根源主假如斜杆的拉压变形及竖杆的弯曲变形，其抗侧刚度同样较大，但所需材料较多。2.1.2抗侧力构件的定量解析假设杆件截面如图3所示，经过结构力学求解器简要解析知足赛题要求的结构抗侧构件，解析数据如图4。可经过指定点的位移大小及构件质量（正比于杆件长度总和）进行抗侧构件合理性的定量判断。求解器所需的截面力学性能参数计算：EA=2010-61010=2105PaI=100.5252+10.51032=333mm4

6、12-121010m2图3假设杆件截面图EI=33310=3.33N4三种抗侧力构件的质量比（构件长度比）：1400:1120:2040=1.25:1:1.82在单位力下极点的水平位移比值为：74.9:3.28:2.17=22.8:1:0.67能够看出，纯矩形刚架虽然质量较小，但由于荷载条件下其水平位移大，抗侧刚度远小于其余两种抗侧力构件，因而首先进行淘汰。再来定量比较三角刚架和内部设置斜杆的矩形刚架，由于模型加载的最终得分同模型的质量和测量点发生的位移之积成反比。则估算采用三角刚架与采用内部设置斜杆的矩形刚架做为抗侧力构件时模型得分之比为：1.820.67：11=1.22:1因而选择三角刚架

7、作为模型的抗侧力构件图4抗侧力构件解析图时模型的得分可能更高。2.2结构的解析模型的抗侧力构件确定后进一步进行模型结构的解析：采用图5所示的结构进行比较。2.2.1结构的定性解析竖向荷载加载解析:结构一竖向承重构件跨度较小，采用连续梁来承受竖向荷载，不单有效减小了跨中弯矩的大小，还使横梁受力更加平均。该结构拥有一定的竖向抗弯刚度。结构二竖向承重构件跨度较大，采用组合结构来承受竖向荷载，极大地增加了结构的竖向抗弯刚度，且结构受力更加平均。水平荷载加载解析:结构一的抗侧力构件为与水平荷载平行的内部设斜杆的矩形刚架，但由于赛题限制，该结构第一层有一部分不能设置斜杆，因而在该平面内的抗侧刚度显著降低。

8、而结构二的抗侧力构件除了与水平荷载平行的三角刚架外，还有与水平荷载垂直的三角刚架,其抗侧刚度远大于结构一。5其他，结构二抗侧力构件设置的竖杆数量为结构一的两倍，而结构一内部设置较多斜杆，虽然无法定性判断结构一与结构二的质量大小，但根据结构二优越的竖向抗弯刚度和抗侧刚度可认为结构二更加合理。图5.1模型结构一示意图图5.2模型结构二示意图2.2结构的定量解析解析方法:借助CAD3D协助设计迅速完成模型单调杆件的创立，并进行抽壳办理，使杆件形式同实际杆件相切合。然后采用布尔运算将模型合成整体后删去多余的线面，形成sat文件。再导入ANSYS内，在模型上施加切合赛题要求的荷载，采用拥有20节点的so

9、lid95单元求解。求解后，经过模型的受力变形能够预测模型的位移，经过模型的体积比能够预测结构的质量比，以此来定量权衡模型的优越。需要注意的是：建模过程中模型结点处应连续无突变，以防备智能区分网格过密，致使求解困难。其他由于ANSYS本身没有单位设置，CAD导出的模型尺寸默认单位一般为mm，应注意单位之间的换算。解析数据:结构的解析数据如图6。强度校核采用第四强度理论显示应力云图。从中能够看出，结构一在竖向荷载下最大应力较大，高达55MPa，凑近竹皮材料的极限抗拉强度60MPa。说明其竖向承重构件设置不合理。结构二最大应力均不超过23MPa，能知足强度要求。6图6结构解析数据图模型得分比较结构

10、一与结构二的质量等于其体积比。质量比为：268492:285933=0.94：17假设经过不同加载要求的最轻模型重量一致，经过位移及质量计算模型的得分比：竖向荷载作用下得分：结构一20；结构二200.94=18.8水平力作用下得分：结构一25；结构二250.944.20/0.87=113.4水平扭矩作用下得分：结构一30；结构二300.941.21/0.61=56.0结构一总分：20+25+30=75结构二总分：18.8+113.4+56.0=188.2模型得分比：结构一：结构二=75：188.2=1：2.51从模型的可能得分上看，结构二显然优于结构一，因此选择结构二作为模型结构的最终形式。结

11、构的实际制作3.1制作前期准备确定模型的结构形式后就能够开始模型的实际制作。如图7，经过CAD3D建模导出模型的三视图及轴测图，以对模型的外轮廓产生直观印象。其他，经过单调杆件的放样可提取杆件的外轮廓尺寸并在平面内进行展开，获得杆件的平面设计图9。图9中总合有12类杆件，各个杆件所处的地点和所需的数量可经过模型轴侧图及杆件平面设计图参照得出。这种经过放样制作杆件的方法保证了杆件制作的精准尺寸，在制作异型结构模型时，解决了模型结构复杂时所需面对的制作工艺繁琐的难题，为优秀的结构设计的实际制作提供了保障。其他，制作完成的杆件基本上无需打磨就能完成结构的装配，在防备了装配应力的产生的同时，极大地加速

12、了模型的制作速度，提高了模型制作的质量。8图7结构三视图及轴测图图8经过放样制作的杆件及拼装的结构9注：平面设计图中绿色、黄色、青色与蓝色部分为杆件的四面竹皮，红色部分为需要裁剪掉的竹皮。其他，为防备加载过程中杆件由于加载处局部压应力过大而破坏，杆件内部进行了局部加肋办理。图9杆件平面设计图103.2制作工艺3.2.1杆件的结构形式杆件的结构形式（借鉴钢结构，未实测）认识各样杆件截面形式的优缺点，选择合适的截面形式。本次模型的杆件结构形式本次模型采用内部加肋的杆件形式，杆件效果图及内部肋的图片如下。杆件效果图杆件内部肋的形式实物图123.2.2杆件制作方法以本次杆件制作为例，详细制作方法如下。

13、杆件外皮用铅笔绘制外皮轮廓。经过剪刀或夹板刀沿轮廓线裁断。由于竹皮质地粗拙，将裁剪完的竹条用砂纸打磨，打去竹皮的毛边，这样便于502胶的粘合。13轻轻划过外皮四个面之间的空隙，沿划过的印迹轻轻折起外皮，方便杆件粘合。但不要完全裁断，以保存部分强度，防备杆件受力时外皮之间崩开。杆件内部肋画出要制作肋的形状，沿肋的宽度方向轻轻刻划，不需刻断（方便折叠）。沿长度方向裁下肋条，并将肋按照最后形状折好，待用。14杆件的粘接粘接时借助镊子摆好肋后即可滴胶，注意胶水用量切勿过多，以防增加杆件不必要的重量。为增加节点处的接触面积，增加杆件的强度，可在杆件端部加一横隔。153.2.3模型的整体拼装杆件的准备确定

14、所有种类杆件的根数及制作质量无误后，即可开始模型整体拼装。建议制备杆件时，可多做几根同种类的杆件备用，拼接模型时能够采用精良的杆件。基本构件的拼接先将基本构件所需拼接的地点用铅笔标记，后拼接。拼接时下部可铺设胶带一层，防备构件与桌子相连。且拼接杆件时注意根据内部肋的方向及杆件的受力形式确定杆件的放置方式。16拼接中不易粘合的结点可加竹皮，增加接触面以加大节点强度。模型的整体拼装将杆件的定位标记画在最薄的竹皮纸上，待模型粘接完成后拆下即可。结构拼接时需要多人共同合作完成。精准定位每根杆件的地点，防备在拼接时产生不必要的装配应力，影响结构受力性能。173.2.4模型的结点办理模型结点空隙的填塞杆件

15、的尺寸同设计要求难免存在误差，所以杆件的连结处也难免存在缝隙，这时将空隙用竹皮填满，滴上502胶水即可。由于502胶水的强度高于竹皮强度，这样做能够加强结点的连结。模型结点的加强有时模型结点受力较大且受力复杂，为防备节点的破坏，可于节点处进行加强办理。18构件与结构的的优化与创新4.1构件的优化与创新4.1.1杆件的研究说明杆件的受弯性能模型加载中，竖向荷载下主梁的受弯承载力需达到要求，其他，水平荷载下结构的位移量与柱的抗弯刚度也亲密有关，因此主要研究杆件的受弯性能。杆件的尺寸预计承受竖向荷载主梁的长度为400mm,所以杆件的研究长度一律取400mm，杆件两头各取20mm固定在桌子上，经过50

16、2粘接牢固，视作固定端（实际加载中杆端竹皮会同桌面分别，杆端截面仍会转动），有利于跨中弯矩的降低，且与实际模型中主梁受力较切合。其他，由于杆件内部结构方式众多，只研究内部加肋的杆件形式。，杆件照片19杆件的质量模型的计分方法同模型质量有关，模型越重，计分越低，因此主要研究杆件的承载力与质量关系。记录杆件质量后，于杆件跨中加集中荷载，测量杆件的受弯承载力及相应荷载下的跨中挠度。4.1.2杆件的承载力及变形研究杆件内部肋的密度较稀疏时，取不同截面尺寸的杆件研究。将杆件内部肋的密度加大，研究肋的密度对杆件承载力的影响。还研究了工字钢杆件性能。肋较密集的杆件加载图片工字钢杆件加载图片20加载数据记录表

17、杆件承载力跨中受集中/N（杆件拉平均跨杆件平跨中弯边长/mm杆件编号质量/g力6.3N，跨断或跨中挠平均质矩计算中挠度均承载中挠度/mm度超过量/g值N-mm/mm力/N10mm）13.74.8815.5377（三23.58.039.453.658.739.4094.0面）33.912.836.3043.59.196.3054.66.9512.6065.23.7015.757774.93.3212.604.884.1012.60126.0853.4512.6094.73.099.45104.83.409.4599（三115.23.1015.824.9756.629.4794.7面）124.91

18、0.006.3013510.006.30146.52.9115.8299156.42.619.456.352.0314.21142.1166.41.3122.12176.11.309.451111188.21.0522.128.151.4125.19251.9（五面）198.11.7628.25207.80.5412.501111217.32.9112.507.551.9015.65156.5227.41.7612.50237.72.4025.1013132411.70.4337.752511.60.6047.2011.270.5636.65366.5（五面）2610.50.6625.0027

19、9.90.8622.27289.61.1222.271313299.60.9412.759.620.8725.83258.3309.60.7040.07319.40.7331.79加载数据表21跨中承承载载12.75N边长1.275N力时位/mm集中力移均值位移/mm/mm15151.938（方0.870形）1.3301.152跨中1/3处1.120加箍0.5000.82015150.670（方0.8720.845形）不加箍0.9820.88015100.8680.740（矩形）跨0.9100.850中1/30.600处加箍1.1300.9801515（矩1.0000.851形）不加箍0.72

20、00.7052.00015150.3500.5150.701工字钢0.2900.349跨中承载25.50N集中力位移/mm2.9881.8502.4802.4601.0701.9051.9051.7452.0102.7601.7802.0501.8201.7702.6202.0302.1002.7701.6602.5300.7100.9150.6500.805承载25.50N力时位移均值/mm2.1702.0652.0082.1401.122跨中承载38.25N集中力位移/mm5.2381.9955.1403.3402.7512.9005.9403.0001.0801.5251.5951.34

21、0承载38.25N力时位移均值/mm3.6173.7444.4201.708跨中杆件跨中质量承载承载杆件质量/g力均均值力/N/g值/N41.411.857.3612.737.546.81212.4237.512.860.312.835.0710.847.8111.150.8545.211.511.1654.1911.438.241144.6110.438.259.138.2538.99.79.6231.81041.48.938.258.638.2539.08.58.7041.448.738.25963.7416.754.1517.55158.016.716.905116.470.1117.2

22、224.1.3杆件研究结论当杆件肋的密度一准时，关于四面均有竹皮包裹的杆件（包括工字钢型杆件），跨中承载力与杆件质量（边长）成一次关系，可经过该关系近似估算所做杆件的承载能力。当肋的密度较稀疏时，三面杆件，四面杆件同五面杆件相比，承载力值与质量值之比最高的是受压侧加厚的五面杆件，因为肋的密度稀疏，当荷载加大时，起先受压侧竹皮与侧壁及内部肋分别，后上部竹皮被压曲，最终杆件丧失持续承载的能力。杆件发生受弯破坏。当杆件内部肋密度加密时，杆件于承受荷载处发生局部受压破坏。由“杆件承载力与质量关系图”可看出杆件的荷载值与质量值之比显著增加，说明增加肋的密度对杆件的承载能力起控制作用。4.1.4杆件的优化

23、建议当肋的密度一准时，杆件的承载能力与其质量（边长）呈正比。而改变肋的密度时，发现杆件内部肋的密度对杆件承载能力起控制作用，因而尽量加大杆件肋的密度能获得较为经济的杆件。但杆件内部的肋不可能无限加密，比方肋的密度到10mm间隔时，制作就很麻烦。因而杆件内部肋间距为10mm是一种较优的杆件形式。23还需对其余结构形式杆件力学性能进行实验研究，以获得更加经济的杆件结构形式。4.2结构的优化与创新结构预应力施加预应力能显著增大结构的有关刚度，有效减小结构的变形，对提高模型竞争力十分有利。下面将以模型中承受竖向荷载的组合结构设计过程为例，详述预应力的施加技巧。组合结构杆件截面尺寸如图10。在赛题要求的

24、竖向荷载下其计算简图及内力图如图11。杆件截面参数在结构的选型中已进行计算，不再赘述。受拉竹皮截面面积：A=100.2=2mm2EA=210-61010=2104Pa图10杆件截面设计图图11组合结构计算简图及内力图设计4.2.1强度校核由内力图能够看出，各杆件剪力极小，因此在强度校核中可忽略不计，只考虑轴力及弯矩对杆件的影响。杆件危险截面位于计算简图中3号节点的左侧，其轴力为-53.13N,截面弯矩为0.31Nm。下部受拉竹皮只受大小为58.15N的轴力。验算杆件的最大正应力53.150.313杆件=20+333510=2.66+4.65=7.31MPa压=20Mpa验算竹皮的抗拉强度245

25、8.15竹皮=2=29.08MPa拉=60MPa4.2.2预应力技巧详细实施过程如图12所示，上部压弯杆件施加与赛题方向相反的竖向荷载（实际为2N），使杆件弯曲，然后在该状态下粘贴竹条，待其粘接牢固后撤去作用于杆件上的竖向荷载，此时由于杆件要恢复受弯变形，而竹皮由于受拉限制杆件的变形恢复，因此竹皮绷紧且杆件微微起拱，压弯构件在加载前上表面受拉下表面受压。经实际加载考证,承受竖向荷载的组合结构在施加预应力后结构的竖向变形小于0.1mm，远小于山东赛区中0.55mm的竖向平均位移，可见其效果显著。图12组合结构预应力施加过程4.2.3实验过程理论计算同实际情况总有进出，实验是查验结构合理性最有效的

26、方法。如图是按照原有设计方案做成的承受竖向荷载的组合结构，该结构在加载过程中数次发生脆性破坏，由于破坏拥有突然性，仅凭肉眼根本无从鉴识破坏的初步点，破坏原因只得经过录制破坏过程后运用视频软件调节每一帧的画面后察看发现。破坏的起点在于受拉竹皮的断裂：由于竹皮粘接过程中难免会使竹皮面倾斜，承受荷载时，竹皮截面的拉应力并非平均，这与理论计算不相切合。而当局部拉应力超过竹皮抗拉强度时，竹皮开始断掉，然后整个组合结构破坏。25图13组合结构实验破坏展示如图14为最终成功的实验方案。采取的解决方法为加厚受拉竹皮的厚度，在原来0.2mm的竹皮上持续粘贴一层0.35mm的竹皮，保证了竹皮的受拉强度。图14组合

27、结构成功加载展示4.3结构的优化设想关于承受竖向荷载的拱构件，为充散发挥竹皮受拉性能，增加截面刚度，减小跨中挠度，对竹皮预先施加了预应力。关于模型整体，为减小其在荷载下的变形，充散发挥竹皮材料的受拉性能，同样能够采用施加预应力的方式，在荷载施加前让受拉竹皮（受拉杆件）绷紧，减小模型的受力变形，提高模型得分。道谢：感谢中国石油大学（华东）土木匠程系的杨文东副教授对模型试验提供的指导和帮助。感谢中国石油大学（华东）黄思凝老师为模型的研究过程提供了难得的结构大赛试验数据。26附录华东赛区第十二届结构设计大赛赛题（一）模型要求底板：连体结构模型底部采用502胶水固定于960mm360mm80mm的木质

28、底板上，底板用夹具固定于加载台上。模型大小：模型详细尺寸要求如图2所示，模型总高度应为625mm，允许误差为5mm。总高度为木质底板顶面至模型顶面上表面的垂直距离。塔楼尺寸范围不得超过200mm200mm625mm的立方体，连廊侧立面投影尺寸范围不得超过200mm125mm的长方形，模型形状及结构体系由参赛队自行确定，但塔楼及连廊的平面轮廓线必须经过图2(b)的模型轮廓点。楼层数：塔楼模型必须拥有3个楼层，底板视为模型第一层楼面。除第一层以外，每层楼面范围须经过设置于边缘的梁予以明确定义。楼层净高：顶层净高不应小于95mm，其余楼层净高应不小于220mm。楼层净高是指该楼层主要横向构件顶部与其

29、相邻的上一楼层主要横向构件底部之间的最小距离。若底板上设置有地梁，则第一层净高需自地梁顶部开始计算；若无地梁则从底板顶面开始计算。柱脚加劲肋、斜撑、隅撑及其他外立面构件不影响计算楼层净高。楼层楼板：三层楼面及屋面层必须采用12504300.35mm本色侧压双层复压竹皮进行蒙皮，用于模拟刚性楼板协调连体结构扭转，其余任何部位均不允许蒙皮，如图3所示。使用功能要求：模型内部空间不允许设置空间斜向构件，模型底层正立面和背立面均必须保证有一个对齐的120mm210mm(宽高)的门洞，门洞范围内不允许有任何构件。27（二）加载及测试步骤281）竖向静力加载竖向静力加载如图5所示：竖向静载由加载铁块施加，竖向加载地域尺寸（加载铁块平面尺寸）为130mm150mm，最大竖向额定加载为100N，分二级加载，每级荷载为50N。记录每级荷载下竖向位移测量点竖向位移。加载完成后由裁判检查模型，在竖向加载时出现结构垮塌、竖向变形超过10mm都将被判断为结构无效，且自动丧失后续加载资格。如二级加载下结构破坏，则取上一级加载重量作为评分依据。（2）水平单向加载在竖向静力加载中模型经过100N加载未无效，则该模型可进行水平向静力加载，保持竖向100N静力荷载不变，经过拉索和滑轮施加额定水平拉力60N，记录结构极点x向水平位移Ux（包括模型倾斜惹起的位移）。加载完成后由裁判检查模型，在水平向加载时出现结构垮塌、