结构设计大赛作品计算书

学院名称         XXXXXXXXXX          

专业名称           土木工程              

学生姓名        倪  兴  惠              

指导老师        XXXXXXXXXXXXX       

联系电话           XXXXXXXX           

       浙江省大学生结构设计竞赛组委会

      二OO六 年 十 月

一、设计说明书

根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度等方面出发，采用社会上收集的易拉罐罐体、用改性丙烯酸酯胶作为粘结剂，精心设计制作了“千年龟壳”屋盖模型。刚与柔的完美结合是这个模型的最大特点。

1、结构体系

主体为张弦梁的结构体系：屋面板和方型梁的组合，作为张弦梁的压弯系统，承担结构的整体受弯、受压和抗剪；单根铝片作为张弦梁的受拉系统，承担下部拉力；方型薄壁杆作为张弦梁的中间撑杆，协调上述两者共同工作，承受压力。

2、截面选择

用U型加两侧翼缘和面板黏结组成完整的箱型截面，让屋面板参与整体受力，产生蒙皮效应；铝条抗拉能力强，因此采用简单的“一”字型截面；撑杆受压，采用方型既有利于稳定，又有利于与上部箱型梁的紧密连接。

3、节点设计

支座处：采用封闭箱型局部加固端部，保证能承受较大的支座反力；采用双层材料在梁底夹住铝条，保证铝条不因受拉而产生支座处突然脱开。

加载处：将连接拉环的铝条，从方型薄壁撑杆中穿过后，直接粘贴于方型梁顶，加载时荷载通过拉环和铝条直接作用于梁上。合理的模拟了现实中张弦梁的工作状态。

4、制作处理

在制作过程中使模型整体向上微拱，使梁尽可能受压力而少受弯，有利于梁的稳定和减少挠度。

5、设计假定

（1）材质连续，均匀；

（2）梁与梁之间结点为刚结；梁与撑杆之间的连接为铰结；撑杆与下部拉条之间为铰结；屋盖支座为简支；

（3）屋盖本身质量不计；加载时，荷载以集中力的形式作用在指定的九个节点处。

（4）杆件计算时采用钢结构的计算模式；

根据以上假定，通过结构力学求解器建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。

二、方案图

1．模型结构图

“千年龟壳”效果图

“千年龟壳”仰视图

模型实物图

2．结构整体布置图

4.截面详图

三、计算书

1 .结构选型

采用“丰”字交叉式张弦梁结构形式。结构以“三”为主受力，“︱”为次受力

合理性和实用性:

张弦梁结构综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。

创新性: 

1．模型结合了一般的双向井字交叉张弦梁结构和单向张弦梁制做简单、受力明确等优点，克服了双向井字交叉张弦梁双向协同工作困难的缺点。

2．对次受力方向的一榀张弦梁（b）做了特殊处理。

制做时对主受力方向的三榀张弦梁（a）的拉索的绷紧程度大于b的拉索，因此在加载时b较a后屈服破坏，从而给予a足够的侧向支撑保证，尽可能发挥a的受力性能。而且b的设置对减小中间挠度效果明显。具体工作原理如下：

2．荷载分析

   根据本次比赛的加载规则，考虑最不利情况取三个40N集中荷载同时作用。

原因如下：加载过程中可能会因为加载链的长短和原来挂钩的长短，导致加载有先后。但是，其先后不会相差很大，最多相差20N(在第一个20N的砝码作用上去时)，与三个40N的同时作用相比较，后者更为不利。

另外在加载时会存在一定的动力效应，及加载时的不均匀性等不利因素的影响，采取在制做时适当加强构件的措施，计算时不予考虑。

3．计算简图与内力分析

（1）主张弦梁(a2)简图

                        40N          40N          40N

a.弯矩图(N*mm)

 ．08

 ．

b.剪力图(N)

                  1.44                        1.29

                                -1.29                         -1.44

c.轴力图(N)

              -107.85        -106.44      -106.44        -107.85

                               -21.29         -42.58

114.      108.55            108.55       114.

d.位移图(竖向值mm)

                         -1.975         -2.427        -1.975

                         -1.926           -2.293        -1.926  

（2）主张弦梁(a1、a3)简图

                       40N           40N          40N

a.弯矩图(N*mm)

                          -474.11                    -474.11

b.剪力图(N)

               -2.34          8.66          -8.66         2.34

c.轴力图(N)

              -114.32        -113.40        -113.40        -114.32

                              -34.02       -22.68

 122.14          113.97       113.97         122.14

d.位移图(竖向值mm)

                       -1.757         -4.320       -1.757

                 -1.678        -4.258       -1.678

内力分析结果：

梁的最不利组合为：，， 

撑杆（Z1—Z3、Z7—Z9）的最大轴力为： 

撑杆（Z4、Z6）的最大轴力为： 

撑杆（Z5）的最大轴力为： 

拉索： 

4．强度，刚度，稳定性校核

已知材料：铝质易拉罐侧面，厚0.11mm

          改性丙烯酸酯胶粘剂（AB胶）

材料性质：

经实验测的材料的极限抗拉强度为236N/mm2 ,屈服强度fy=190N/mm2,设计强度f=180N/mm2，抗剪强度=104 N/mm2。

(1)梁：

由内力分析可知,最不利组合为：

截面特性：

满足要求。

由于梁与屋面板紧密黏结，可以保证其整体稳定性。另外，在梁上集中荷载作用处，采用局部加厚等构造措施以满足局部强度的要求。

(2)撑杆（Z1—Z3、Z7—Z9）

由内力分析可知：

截面特性：

满足要求。

（3）撑杆（Z4—Z6）

其中  Z4、Z6的，。

Z5的，。

满足要求。

满足要求。

（4）拉条

抗拉强度验算：

满足要求。

（5）支座处剪力验算:

已知梁的截面性质：

，满足要求。

另外支座处局部压应力采用局部加强措施保证。                     

（6）位移校核:

由于制作、拉弦松弛等原因，加载时当拉弦绷紧开始工作时，相对与初始状态有挠度（5号点）产生，经试验测得=6.2mm，有结构力学求解器求的中间5号点的挠度。

 总位移为： += 8.63<30mm，满足要求。   

综上所述，模型在每个加载点加载40N力的情况下，结构的强度、刚度、稳定性都满足要求。