结构设计理论方案

湖南省第四届大学生湖南省第四届大学生 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 参赛学校：参赛学校：长沙理工大学长沙理工大学 作品名称：作品名称：比比萨萨 参赛队伍：参赛队伍：砼砼 参赛队员：参赛队员：吕昕睿吕昕睿 易君健易君健 黄明凯黄明凯 指导老师：指导老师：付付果果 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 目目录录 一、概述3 二、设计说明3 1. 方案构思.3 2. 结构选型.3 2.1 结构外形4 2.2 材料截面选择4 2.3 节点设计4 3. 结构特色.4 三、方案设计5 1. 设计基本假定.5 2. 结构三视图.5 3. 模型结构图.7 4. 节点详图.8 四、结构设计计算.10 1.静力分析.10 2. 内力分析10 3. 位移计算12 4. 结构分析总结14 2 2 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 一、概述 结构在施工过程中的受力状态与结构在施工完成后正常使用过程中的 受力状态是不完全一样的，甚至差异会比较大。有些情况下，设计人员只针 对后者进行相应的设计，前者被一定程度的忽视了，从而造成事故，或者事 故隐患。 因此结构在施工过程中的状态及其响应必须得到工程师的重视，要 求施工过程安全可控， 建成后的结构内力和线型分布满足设计，同时也提倡 设计时尽量考虑可能的施工过程影响 二、设计说明 1. 方案构思 根据竞赛规则要求，我们从模型制作材料的抗压特性，抗拉特性，加载 形式和静力加载大小要求等方面出发，采用比赛提供的 2mm 厚，5mm 厚竹 条以及 502 胶和 0.5mm 厚竹皮设计制作了“比萨”结构模型，该模型为三 角桁架体系结构，呈现出轻盈、简约的几何美。我们的设计理念是“人与自 然的简单和谐之美” 模型主要承受水平拉力， 及拉力对整个结构造成的弯矩， 竖直静荷载较容易满足。正视图采用等腰梯形结构。侧视图采用梯形结构， 前后面整体向后倾斜。用竖直方向上的荷载来平衡部分结构所受的横向拉 力，以此来增大整个体系所受横向荷载的能力。 2. 结构选型 由于梯形具有较强的稳定性，而且在平面上容易找平，我们选择梯形为 主体结构框架。而且梯形结构可以减少材料用量，减轻模型重量，提高模型 的承重比。 3 3 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 2.1 结构外形 结构上平面投影为为 600mm*300mm 的矩形， 上表面为 360mm*190mm 矩形。侧面为高为 900mm 的梯形，整个侧面采用平面桁架结构加强体系的 稳定性和抗压能力和而且布有拉条来增强侧面的抗扭能力。 前后两个正面布 有拉条和压杆来增强前后面的抗扭能力。 顶面布有横向斜杆，通过斜杆来将 横向的拉力传给整个体系，使整个结构受力均匀。同时顶面，和每层层面均 布有拉条，来增强顶面和个层面的抗扭能力的 2.2 材料截面选择 前面两根受压的柱子，靠近受拉一侧采用两根 1.5cm 宽的 5mm 厚竹条； 另一侧采用一根 1.5cm 宽的 5mm 厚竹条一根 1.5cm 宽的 2mm 厚竹条。 后面两 根主要受拉承受竖向荷载的柱子，靠近受拉一侧的采用两根 1cm 宽的 5mm 厚竹条； 另一边则采用一根 1cm宽的 5mm 厚竹片和一根1cm 宽的 2mm 厚竹条。 所有的横梁均为 2/3 宽的 5mm 厚杆，斜杆为 1/3 厚 5mm 厚杆，拉条为 1cm 宽。每个楼层层面的竹皮都可以来增加结构的抗扭能力。 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静载时会引起较大的剪力， 在连接时用竹粉填充密实， 再用水平短竹片相连使竹片在下面顶住节点上部 斜梁，在加载处节点贴上薄竹片来增大接触面积，从而来增大节点强度，增 强结点的抗扭能力。整个结构体系，支座处的剪力和扭矩最大，因而支座采 用四层的竹片相夹来增大接触面积， 同时在连接处的空隙洒满竹粉，来增强 支座的整体性。 3. 结构特色 我们摒弃了普通的梯形结构， 结构整体向后倾斜，从而平衡掉部分的横 4 4 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 向荷载，增加整个结构承受横向荷载的能力。每层的楼面不仅仅是装饰，还 可以提供横向的拉力，增强结构的抗扭能力和整体性。 三、方案设计 1. 设计基本假定 （1）竹片材质连续均匀。 （2）节点按绞节点计算，支座为固定支座。 （3）杆件计算时采用钢结构计算模式。 根据以上假定通过结构力学求解器软件建立计算模型， 所得的内力和位移作 为构件设计的依据。 2. 结构三视图 俯视图 正视图 5 5 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 左侧视图 右侧视图 6 6 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 3. 模型结构图 7 7 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 4. 节点详图 在楼面下方布拉条增强楼面抗扭能力 顶面布置斜杆，来将拉力均匀传到另一个侧面 支座采用多层竹条相粘，来增大接触面积 8 8 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 侧面采用 T 型杆来增强抗压能力 横梁顶端在柱子上黏贴竹块来增大横梁与柱子的接触面积 9 9 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 四、结构设计计算 根据本次比赛的加载规则，荷载为竖向静载荷，和水平方向静荷载。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 分析时将竖直静载简化为集中荷载，横向简化为节点荷载，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 结构顶部中部和底部分别各加载 2 个 10kg 质量的砝码总共为 6 个 10kg 砝码，根据受力特点及结构形式，将荷载简化为不同节点的集中力 100N， 分别同时施加在结构节点上。 根据 MIDAS CIVIL 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。 2. 内力分析 通过对几组模型用力学求解器进行内力分析，具体如下： 1010 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 FX 轴力 Fy 剪力 1111 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 Fz 剪力 最大应力图，标注出最大应力 3. 位移计算 通过 Midas 对位移进行模拟 三视图如下： 1212 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 俯视图 侧视图 1313 / 1515 结构设计大赛计算书结构设计大赛计算书 正视图 注：通过模拟我们发现许多杆件和节点需要加强（红色和蓝色区域）， 对于需要加强的杆件我们对结构进行了改进和加强， 真实结果与模拟出来的 结果会有所不同。 4. 结构分析总结 通过在利用课余短时间内结构选型、结构设计与优化、理论分析、试验 研究以及精心制作等一系列过程， 我们的感触颇多：土木工程是一门实践性 很强的学科，一名好的结构工程师，不仅需要坚实的理论知识作指导，在遭 遇有各种各样未知的问题。还需要充分考虑实际情况，权衡，优化，综合考 虑各方面的因素。所以，结构的进步离不开反复试验。在试验中检验和发现 问题，那些体系简洁，受力明确的结构更有可能在复杂外力下胜出。一个好 的结构师， 更需要耐心和毅力和体力； 在这次制作过