第十二届同济大学大学生结构设计与模型竞赛计算书.doc

理论分析计算书目录一、设计说明 （3）1、方案构思 （3）2、结构选型 （4）3、结构特色 （5）二、方案设计 （5）1、设计基本假定（5）2、模型结构图 （5）3、节点详图 （8）4、主要构件材料表及结构预计重量 （10）三、结构设计计算 （11）1、静力分析 （11）2、内力分析 （13）3、承载力及位移计算 （15）四、结构分析总结 （16）一、设计说明根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性，冲击荷载形式和静力加载大小要求等方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的木材细杆和木板，502胶水味粘结剂精心设计制作了“三足鼎立”结构模型，空间桁架结构为该模型的一大亮点。1、方案构思模型主要承受150N竖直静荷载和一定的竖向冲击荷载，竖直静荷载较容易满足，而竖向冲击荷载结构的刚度要求较高，同时要求结构有较强的抗剪能力。（1）本结构主要构思是想利用三根柱子的轴力来抵抗荷载的作用（2）设计的总原则是：尽可能的利用竖向支撑的三根粗杆来提高柱子的承载力而在柱子之间辅以细杆来稳定结构，并利用木材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。2、结构选型 由于三角形具有较强的稳定性，而且在平面上容易找平，我们选择三角形为主体结构框架，桁架受力均匀简单，仅受轴力，便于木材性能的发挥，我们以空间桁架为主导。2.1结构外形结构上平面为边长225mm的等边三角形，底面在半径为240mm的圆上，整体为相似三角形，内部采用空间桁架结构加强稳定性。2.2材料截面选择主体三根柱子截面为四根2*8的杆件粘接而成,形成外侧10mm，内侧8mm的箱型，保证抗压的同时减轻材料的质量。T型柱稳定性较好，我们用T型柱搭出上部的空间角锥体，使结构整体稳定。主体承力T型柱由2*6翼缘2*4腹板组成框架结构。外围由2*4及2*6的L行梁连接，结构内部由2*2斜梁及主体柱交叉相连，增强整体稳定性。2.3节点设计 主体框架结构相交的节点由于杆的倾斜在加动载和静载时会引起较大的剪力，在连接时用小木片填充密实，再用2*2水平短木条相连使木条在下面顶住节点上部斜梁，在加载处节点贴上薄木片来增大接触面积，从而来增大节点强度，从而在结构受力计算时一些节点模拟成刚节点。斜梁相交时，两根梁搭出榫结，用胶水加固，增大节点强度和刚度。3、结构特色这个名为漫步天下的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，我们选择正三角形作为主体形状，受力均匀，加载方便，上宽下窄，形状渐随着高度逐渐变化，有活力。（2）根据SAP2000软件建立的模型分析，可得出结构位移最大点，针对这一情况，我们改造出变截面柱，成为我们结构一大特色。（3）斜梁相交时，两根梁搭槽榫结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。（4）结构采用1*55mm的木板，有效的节约了材料，采用2*2细杆加固，经济适用。（5）结构模仿实际工程，采用腰梁，增强抗震性和稳定性。（6）根据SAP2000软件建立的模型分析结果，我们加强顶部和支座强度。二、方案设计1、设计基本假定（1）木条材质连续均匀。（2）柱、梁之间的节点按刚节点计算，支座为固定支座。加载时竖直静荷载和竖直动载以集中力的形式均分到顶部三个节点上。（3）杆件计算时采用钢结构计算模式。根据以上假定通过SAP2000软件建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。 2、模型结构图通过autoCAD软件建立计算模型，分析内力和位移，简化各个杆件尺寸和形状。主体结构立面图主体结构俯视图主体结构三维视图 主体结构模型图3、主要节点详图（一）（二）（三）（四）4、主要构件材料表及结构预计重量材料表：主要承重柱，受力横梁，斜梁尺寸及数量表。标号形状尺寸长度数量T形翼缘6*2mm腹板4*2mm180mm120mm33 L形垂直肢高6mm水平肢高6mm垂直肢厚2mm320mm3箱型1外围10*10mm内侧6*6mm311mm3箱型2外围8*8mm内侧4*4mm225mm3长边4mm短边2mm若干若干边长2mm若干若干重量预计：我们根据所提供的木材的比重0.5，结合自身结构的特点预计结构总质量为70g.三、结构设计计算根据本次比赛的加载规则，荷载有竖向静载荷及竖向动载，考虑到结构尺寸所能承受荷载的能力，需对本结构进行受力分析，在进行荷载分析时将静载和动载简化为三个均分集中荷载，通过计算来对相对薄弱部分作相应的加固，使得材料得到充分合理的利用。1、静力分析结构顶部加载15kg质量的砝码，根据受力特点及结构形式，将荷载简化为三个相等的集中力50N，分别同时施加在结构的三根承重柱上。根据SAP2000软件建立的模型分析结果，找出结构最大处位移和最大处应力，分析最大处节点强度，刚度和稳定性。主体结构加载图主体结构受力变形图我们制作的结构根据SAP2000软件建立的模型分析结果，最大应力为1.25Mpa，远小于木材抗拉强度30Mpa。结论：结构承受150N的重力，轴力增加明显，而弯矩和剪力变化不明显。加载动载时，应加强静力轴力最大点处连接。2、内力分析 用SAP2000所作的内力图如下主体结构轴力图（最大轴力为56.65N）主体结构剪力图主体结构弯矩图(最大弯矩为21.88N*M)3、承载力及位移计算以上是我组成员对结构简化承载力和位移计算的过程，由于支座处可能会产生较大的沉降，因此我们预计跨中最大竖向位移为4mm,另外，考虑到制作过程中的产生的误差，我们预计结构的最大承载力为500N.四、结构分析总结1、本结构主要是利用三根柱子的轴力来抵抗荷载的作用2、本结构利用细杆来提高柱子的承载力，并利用木材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。3、根据SAP2000建模分析的结论，我们选择正三角形作为主体形状，受力均匀，加载方便。4、斜梁相交时，两根梁搭槽榫结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。5、结构采用1*55mm的木板，有效的节约了材料，采用2*2细杆加固，经济适用。6、结构模仿实际工程，采用腰梁，增强抗震性和稳定性。7、根据SAP2000建模分析的结论，我们加强顶部和支座处节点强度。第 5 页