结构设计竞赛设计书

纸质桥梁转体施工模型结构设计

计 算 书

目录

第一章 设计说明    1

1  作品简介    1

1.1 基本参数    1

1.2 设计思路    1

2  结构选型    1

2.1 模型结构选择    1

2.2 材料截面选择    2

2.3 模型结构图    3

图1 正视图    3

图二 俯视图    4

图三 侧视图    4

3  节点处理及制作    4

3.1 杆件拼接连接    4

3.2 节点连接    4

第二章 设计计算    6

1  基本假定及模型建立    6

1） 模型计算求解时所有节点连接均为刚接；    6

2） 各个杆件截面均假设为方形；    6

3） 各杆件均假设为直立杆，无弯曲；    6

4） 假设杆件受力时，假设强度可充分发挥，各杆强度一致；    6

5） 假设各杆件尺寸即为设计尺寸，无偏差。    6

2  计算参数    6

3  结构模型建立    7

4  内力、承载力计算分析    7

第三章 总结与感悟    9

第1章  设计说明

1  作品简介

1.1 基本参数

（1）高度300mm，宽度120mm，总跨度520mm；

（2）模型左部为底面120×120mm，高300mm 的柱体；

（3）模型右部立面图为上底 50mm，下底 120mm，高 400mm的直角梯形；

（4）模型各部分尺寸允许±5mm 误差；

1.2 设计思路

竞赛要求设计为纸质桥梁转体结构，加载部分分三级：第一级为左端承受10kg压力荷载15″；第二级为在第一级荷载不取下的前提下，在横跨末端底部承受2.5kg的压力，并于稳定后旋转90°；第三级要求在前两级荷载不取下的前提下在横跨面指定位置施加5kg压力并保持10″。

经受力分析，第一级主要承受压力荷载，对模型的要求条件不是很大。第二三级不但承受压力荷载，同时存在弯矩，对节点连接，纸质杆抗弯要求较高，而且由于结构存在一定跨度和宽度要求模型制作时要注重抗扭设计。所以，针对第二级加载时对左、右部交界处的节点的扭矩，我们设计在模型左部加三角形的杆件抵住节点，如此一来，既可以抗扭也可以分担一部分第一级荷载的压力。针对第二三级荷载多对桥面部分可能存在的拉力，我们设计两根连杆以更好的连通左右两部分。最后在桥面上设置三角连杆来防止桥体的扭曲变形。

2  结构选型

2.1 模型结构选择

根据竞赛题目的要求，我们组从模型制作的材料抗压特性、抗拉特性和静力加载，转体90°等方面综合出发，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，白乳胶材料制作了该模型——纸质桥梁转体施工模型。

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，在符合竞赛要求的前提下，我组最后决定采用矩形作为主要承重结构，矩形内部设计三角形结构既能承重又能抵抗变形，桥体部分采用梯形结构，内部设立三角连接。模型左右两部分以节点和连杆相互连接传力。

2.2 材料截面选择

截面选择对结构本身有着重要影响，需要探究各种截面的性能优劣。一般需综合考虑以下方面：

1)受力性能

如压弯杆件，考虑抗弯刚度的大小，宜采用方形截面；受压杆件，考虑受压稳定性，而不宜采用的细长杆件等。

2)自重影响

如对于抗弯模量相同的截面来说，方形截面比圆形截面杆件更轻一些。

3)拼接工艺

一般来说，方杆的拼接形式最为灵活，节点美观性也较好；而圆杆则较复杂。

经综合考虑，我组决定采用方形截面。

2.3 模型结构图

图1 正视图

图二 俯视图

图三 侧视图

3  节点处理及制作

3.1 杆件拼接连接

方形截面杆件的拼接相对圆形截面较为简单，这也是我组选择方形截面的一个重要原因。杆件拼接时，我们首先针对各个设计节点进行画线比量，然后根据需要刻开四面花、三面花以及两面花，再分别在左右两部进行局部拼接，左后进行整体拼接，确定尺寸后对节点涂胶固定。

3.2 节点连接

节点处的受力较为复杂，是结构中的薄弱环节。实际工程中，一般要求框架结构节点强度大于梁柱强度，模型制作也不例外，尤其是受拉节点。节点设计的基本原则是：主要受力构件在节点处保持连续不截断，次要构件与重要构件保证可靠连接。

1)   受拉节点

即该节点处至少有一根以上的杆件承受拉应力，受拉节点是模型试验中破坏最为常见的部位，应引起参赛者的足够重视。在设计时，对于一般的受拉节点可采用以下方法：

a)     “整体弯折法”：即将受拉的杆件在连接处整体弯折而不截断，或者仅在预留出足够粘结接触表面后截断。

b)     “构件连接器法”：即在连接处内衬一根小直径短杆或外套一根大直径短杆，形成构件连接器。

2)   受压节点

结构构件一般具有足够的强度，在保证稳定性的前提下，其受压性能一般完全能满足受力需要。受压节点较受拉节点来说，抵抗破坏的能力也较好。在制作时，压节点基本要领时：保证节点处各杆件轴线处于同一平面内，且受压接触面务必充分接触。

3)   交叉节点

交叉节点在立体结构中较为常见，如高层建筑模型等，在桥梁结构中，一般为桥面系设计中的纵横梁交叉。在制作时在接触点分别开出槽口，然后将二者充分咬合连接。槽口的开挖方法有各种形式，需根据具体情况选用。

第2章 设计计算

1  基本假定及模型建立

1）模型计算求解时所有节点连接均为刚接；

2）各个杆件截面均假设为方形；

3）各杆件均假设为直立杆，无弯曲；

4）假设杆件受力时，假设强度可充分发挥，各杆强度一致；

5）假设各杆件尺寸即为设计尺寸，无偏差。

以此建立结构模型，并运用结构模型求解器求解模型各部分受力图。

2  计算参数

1）材料弹性模量Es取；

2）惯性矩取0.002133；

3）截面面积取；

以此带入结构模型求解器求解模型各部分受力图。

3  结构模型建立

4  内力、承载力计算分析

******节点位移*****

 节点号-----UX(x方向位移)-----UY(y方向位移)-----φ(转角)

     1  -2.70581078e-19  -4.329253e-16   7.99213718e-15

     2   4.57087295e-01  -9.39785687e-01  -7.96052567e+01

     3   3.16762545e-19  -5.81727293e-16  -2.14870415e-16

     4   9.19421239e-01  -5.81736986e-01   1.05902839e+00

     5   3.93215076e-01  -1.04015374e+00   5.34336679e+01

     6   7.80846010e-01   1.22379806e-01   1.05832083e+00

     7   3.748441e-01  -1.05396941e-01  -9.42151244e+00

     8   6.98416744e-01   5.93092506e-01  -2.69365098e-01

     9   3.77634716e-01   3.81625188e-01   1.00913319e+00

    10   5.87746662e-01   1.21816693e+00   3.79935495e-02

    11   3.782301e-01   8.83406077e-01  -7.10597508e-02

    12   3.78884865e-01   1.21812313e+00   8.12103470e-03

 ******内力***** 

 ------------------------------------      -------轴力---------   --------剪力--------    -------弯矩-------

单元     1**结点     1******  -2.34937449e-14   2.07413544e-13   1.68211994e-11

 ***********结点     3******   2.34937449e-14  -2.07413544e-13   8.06842583e-12

单元     2**结点     4******   1.55129863e+04   1.26705435e+01   1.51683351e+03

 ***********结点     3******  -1.55129863e+04  -1.26705435e+01   7.638325e+02

单元     3**结点     4******  -5.76193956e+02   8.77060169e+00   1.26193974e+03

 ***********结点     1******   5.76193956e+02  -8.77060169e+00   6.35431508e+02

单元     4**结点     2******   1.50365710e+04  -3.39583026e+02  -6.79172551e+04

 ***********结点     1******  -1.50365710e+04   3.39583026e+02  -3.39576526e+04

单元     5**结点     2******  -2.08570487e+03  -1.04721055e+03  -1.19274415e+05

 ***********结点     4******   2.08570487e+03   1.04721055e+03  -5.84431077e+04

单元     6**结点     2******   2.55488876e+03   1.43022446e+04   1.87191670e+05

 ***********结点     5******  -2.55488876e+03   1.56977554e+04  -2.70922317e+05

单元     7**结点     4******   1.83366702e+04   1.45267768e+03   5.92318844e+04

 ***********结点     5******  -1.83366702e+04  -1.45267768e+03   1.150437e+05

单元     8**结点     7******   1.10221108e+03   2.631480e+03   5.52803045e+04

 ***********结点     5******  -1.10221108e+03  -2.631480e+03   1.55832879e+05

单元     9**结点     7******  -3.13723793e+03  -1.54543820e+02  -1.57944331e+04

 ***********结点     4******   3.13723793e+03   1.54543820e+02  -6.49419360e+03

单元    10**结点     6******   5.24582571e+02   4.23429599e+01   2.92598850e+03

 ***********结点     4******  -5.24582571e+02  -4.23429599e+01   2.926363e+03

单元    11**结点     6******  -3.45122285e+02  -2.59176353e+02  -8.40935204e+03

 ***********结点     7******   3.45122285e+02   2.59176353e+02  -2.04530407e+04

单元    12**结点     9******  -1.11592986e+02  -2.24511482e+02  -7.90854715e+03

 ***********结点     7******   1.11592986e+02   2.24511482e+02  -1.90328307e+04

单元    13**结点     9******   2.93000916e+02   5.932913e+01   3.39709566e+03

 ***********结点     6******  -2.93000916e+02  -5.932913e+01   3.45162830e+03

单元    14**结点     8******   2.86554235e+00   2.24376908e+01   5.61602621e+02

 ***********结点     6******  -2.86554235e+00  -2.24376908e+01   2.03173525e+03

单元    15**结点     8******   4.92360717e+01   3.37730130e+01   6.425022e+02

 ***********结点     9******  -4.92360717e+01  -3.37730130e+01   2.43697046e+03

单元    16**结点    11******  -5.41969867e+01   2.50579153e+01   9.16181147e+02

 ***********结点     9******   5.41969867e+01  -2.50579153e+01   2.07448104e+03

单元    17**结点    11******   7.395478e+00  -1.260538e+01  -5.26530988e+02

 ***********结点     8******  -7.395478e+00   1.260538e+01  -7.72762157e+02

单元    18**结点    10******   3.980671e+01  -3.96884470e+00  -1.73030544e+02

 ***********结点     8******  -3.980671e+01   3.96884470e+00  -4.31343356e+02

单元    19**结点    10******  -5.26691203e+01  -1.746254e+00  -1.017755e+01

 ***********结点    11******   5.26691203e+01   1.746254e+00  -1.57256261e+02

单元    20**结点    12******   5.79904701e+00  -4.20507413e+00  -1.06745331e+02

 ***********结点    11******  -5.79904701e+00   4.20507413e+00  -2.323938e+02

单元    21**结点    12******   4.20507413e+00   5.79904701e+00   1.06745331e+02

 ***********结点    10******  -4.20507413e+00  -5.79904701e+00   1.83207020e+02

根据以上内力求解数据可知（9）号杆件的内力最大，而（5）和（16）号杆件的弯矩最大。因此，我组在结构设计制作时，将这几根杆制作的强度比较高。

第3章  总结与感悟

1 本结构主要是利用矩形结构承受竖向压力作用，桥体设计成梯形结构承受二三级荷载的压力和弯矩作用。

2 本结构利用了纸筒抗拉能力强的特性来做桥面受弯时的拉杆。竖向支撑杆件可以做成空心来节省材料，承受的压力也不会因此而减小。

3 根据理论分析，我组之所以选择三角形作为主体结构是因为三角形具有稳定性，制作简单方便，承压能力强。

在此次工程训练活动中，我们积极搜集整理各种资料，学到了不少课堂上无法学到的知识，使我们更好的把课堂理论知识运用于实际。通过此次活动，锻炼了我们的创新思维，提高了我们动手动脑能力和解决问题的能力，使我们懂得了团队合作的重要性，获得了合作的快乐。