結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)(扶壁式擋土墻).doc

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)說明書1設(shè)計(jì)構(gòu)思 1.1 造型構(gòu)思本團(tuán)隊(duì)旨在保證模型重量以及牢固程度的前提下，能承受最大的土壓力為目標(biāo)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，多次論證，最終決定采用此結(jié)構(gòu)。此擋土墻結(jié)構(gòu)，對于側(cè)邊結(jié)構(gòu)與扶壁結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)相當(dāng)大。我們參照實(shí)際中比較成功的擋土墻實(shí)例和其余同學(xué)所制作模型的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用整體三角支架結(jié)構(gòu)與底部吊拉紙帶相結(jié)合的體型作為本組的結(jié)構(gòu)造型。作為最主要材料的白卡紙，本組考慮擋土墻后壁強(qiáng)度較低，易變形，所以，需將其在受壓要求不同的部位合理布置桿件，才能發(fā)揮其自身功效。于是本組考慮在整體三角支架結(jié)構(gòu)中，按受力計(jì)算后的結(jié)果，分別用紙做桿件的光滑面與粗糙面折疊包裹。而對于吊拉的紙帶，則全部考慮使用光滑面朝外的紙帶拼接，添加橫桿，以加強(qiáng)分散鋼珠對后壁所施加的壓力。 1.2 結(jié)構(gòu)體系的選擇本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的紙質(zhì)扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)在后壁和側(cè)邊處受壓，易發(fā)生變形傾覆現(xiàn)象。從而，本小組采用的整體三角支架結(jié)構(gòu)，一方面將所受的力分散到各個(gè)桿件上，另一方面增強(qiáng)支架與紙質(zhì)后壁的整體性。本組設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在多次試驗(yàn)中，由于人為加載不均勻及鋼珠加載速度不易控制，導(dǎo)致了加載失敗。對于側(cè)邊強(qiáng)度較低受壓易變形的弱點(diǎn)，靠添加受力桿件，分散局部壓力的辦法，從而保證模型整體性。由于考慮到支架部分與紙質(zhì)后壁在連接部位的整體性不夠，易造成支架與紙質(zhì)后壁分離現(xiàn)象。故在拼接時(shí)，本組強(qiáng)化處理了該處桿件的布置。采用底部吊拉紙帶連接后壁與支架的方法，從而增強(qiáng)了模型整體性。綜合上述幾種主要的破壞現(xiàn)象，方案的選型由此而定。 1.3 特色說明 我們的模型以一種簡約而實(shí)用的姿態(tài)出現(xiàn)，自然有若干獨(dú)具特色的地方。此結(jié)構(gòu)白卡紙用量：230g白卡紙一張，實(shí)際使用不足120g。對于節(jié)點(diǎn)的處理，本組采用紙片粘合連接。這是由于紙質(zhì)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)無法達(dá)到實(shí)地工程材料所界定的完全剛節(jié)點(diǎn)或鉸節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，在多次試驗(yàn)中，本組發(fā)現(xiàn)用紙片的粘合，不僅可以使節(jié)點(diǎn)得到美觀的加固，更重要的是其具有輔助傳力的作用。并且在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可以近似成剛結(jié)點(diǎn)的構(gòu)型，一舉多得。對于支架桿件的制作，本組采用加厚主要桿件的方法制作。這是由于所選紙桿的橫截面為矩形，比圓形桿件更易連接，較其他型桿件制作方便且計(jì)算簡易。而且主桿將承受更大的荷載，不能片面的靠改進(jìn)體型來加強(qiáng)抗力，還要注重提高重要部件的自重來增加功效。對于紙帶的運(yùn)用，本組在結(jié)構(gòu)底部加以體現(xiàn)。這是由于紙帶是一種很好的受拉材料，比紙桿更輕、更具韌性。這樣，不僅能發(fā)揮紙帶的特性，增加結(jié)構(gòu)整體性，減緩結(jié)構(gòu)的傾覆，同時(shí)還為結(jié)構(gòu)減輕了自重。為保證構(gòu)件的整體性，與精準(zhǔn)度，我們的紙桿及紙帶先用繪圖軟件繪成展開圖，然后打印在普通白紙上，再將其描到白卡紙上進(jìn)行剪裁，并且標(biāo)好序號(hào)，以免連接出錯(cuò)。非常有效的提高的制作的速度跟精確度。2模型設(shè)計(jì)圖紙 2.1 結(jié)構(gòu)作品效果圖 2.2結(jié)構(gòu)布置圖 2.3主要構(gòu)件詳圖和節(jié)點(diǎn)圖 3理論分析 3.1結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的選取主要采用將模型簡化，近似等效成平面的鋼架體系進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算部分運(yùn)用如圖清華大學(xué)土木 工程系結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室開發(fā)的“結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器”軟件進(jìn)行大部分計(jì)算（圖1）。 1. 由于根據(jù)本模型加載方向得知主要承力方向?yàn)樨Q直方向。于是去掉豎平面以外的橫桿可以得到如圖的主結(jié)構(gòu)圖，且根據(jù)結(jié)構(gòu)本身特性，每個(gè)連接 處采用紙片外層粘合來使轉(zhuǎn)角足夠小，可以將其假 （ 圖1 ）設(shè)為剛接。2. 而加載臺(tái)的固定裝置相當(dāng)于剛性約束，不會(huì)有轉(zhuǎn)角，所以在固定裝置處設(shè)計(jì)剛接。3. 同時(shí)由于紙帶會(huì)在節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在紙帶連接的地方用鉸接點(diǎn)。桿與桿連接的地方有用白乳膠連接，外層還有加一片紙片粘合，故可視為剛接。綜上所述則可以得到如圖2的基本計(jì)算模式 （ 圖2 ）已知荷載：扶壁式擋土墻承受40kg鋼珠荷載。截面性質(zhì)分析：各連接處的截面的增大不考慮用以結(jié)構(gòu)的安全富余，則基本的截面就是上面兩種截面，按照材料力學(xué)的計(jì)算方法計(jì)算量截面的抗拉的抗彎剛度： 3.2內(nèi)力計(jì)算計(jì)算思路：內(nèi)力分析計(jì)算采用清華大學(xué)土木工程系開發(fā)的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進(jìn)行計(jì)算：（計(jì)算過程中的基本單位為：力，N；長度，mm）（1）計(jì)算模型輸入根據(jù)前面假定的計(jì)算模型輸入，如下程序代碼：（2） ,1,0,0（3） ,2,2.5,0（4） ,3,13,0（5） ,4,13,10（6） ,5,13,21（7） ,6,13,27（8） ,1,2,1,1,1,1,1,1（9） ,2,3,1,1,1,1,1,1（10） ,3,4,1,1,1,1,1,1（11） ,4,5,1,1,1,1,1,1（12） ,5,6,1,1,1,1,1,1（13） ,4,2,1,1,1,1,1,1（14） ,5,1,1,1,1,1,1,1（15） ,1,7,1,1,0,0,-1（16） ,3,2,0,0,0（17） ,1,1,0,0（18） ,2,1,0,0（19） ,3,5,3.622,2.28,0,1,-90（20） ,4,5,2.28,0.805,0,1,-90（21） ,5,5,0.805,0,0,1,-90（22） 內(nèi)力計(jì)算 在結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器中輸入以上所有程序代碼，并分別進(jìn)行求解內(nèi)力即可得到如下數(shù)據(jù)內(nèi)力計(jì)算桿端內(nèi)力值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩- 1 9.62501289 2.62101836 -10.2093443 9.62501289 2.62101836 -3.65679849 2 30.2890503 5.14521987 -16.6175599 30.2890503 5.14521987 37.4072486 3 32.7535502 -18.6034496 37.4072486 32.7535502 10.9065503 10.1060855 4 14.2181473 -9.75748711 11.0482029 14.2181473 7.21001289 11.9100113 5 0.00000000 -2.41500000 4.83000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 6 -27.7466498 -0.82887200 -0.94211734 -27.7466498 -0.82887200 -12.9607614 7 -17.1553650 -0.70002555 7.08001133 -17.1553650 -0.70002555 -10.2093443-圖4.軸力圖 圖5.剪力圖- 彎矩圖 圖5.位移圖3.3 承載能力估計(jì) 根據(jù)以上的計(jì)算，可以看出結(jié)構(gòu)在40kg荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大水平位移基本可以控制在20mm以內(nèi)，（7）號(hào)桿壓力相對來說比較大，而且其也比其他的要長許多，雖然此桿做了加強(qiáng)，還有可能失穩(wěn)破壞，在結(jié)構(gòu)局部做加強(qiáng)處理后，在實(shí)際加載過程中，看實(shí)際變形情況，豎向荷載可以適當(dāng)增加