武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)書(shū)Word版

1、目錄第1章 設(shè)計(jì)思路21.1設(shè)計(jì)構(gòu)思21.2結(jié)構(gòu)選型3第2章 方案圖5模型效果圖5第3章 材料參數(shù)的確定63.1 繪圖紙的性質(zhì)63.2 白乳膠的性質(zhì)63.3 白乳膠的使用及注意事項(xiàng)7第4章 計(jì)算書(shū)7第5章 模型制作85.1制作流程85.2下料85.3梁的制作85.4組裝81 / 14第1章 設(shè)計(jì)思路本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽即設(shè)計(jì)一個(gè)底部大空間三層建筑結(jié)構(gòu)，而我們的設(shè)計(jì)作品在建筑外形上為塔式結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗浇Y(jié)構(gòu)在長(zhǎng)久的時(shí)間中被認(rèn)為是具有更好的抗沖擊性能結(jié)構(gòu)。因此在滿(mǎn)足靜載作用的前提條件下，塔式結(jié)構(gòu)可以更好的抵抗沖擊荷載作用。競(jìng)賽規(guī)則要求同時(shí)考慮豎向永久荷載和水平?jīng)_擊荷載這兩種荷載，已達(dá)到和實(shí)際情況接近的目

2、的，使得比賽過(guò)程更加貼近生活，讓參賽選手對(duì)實(shí)際工程有了大致的了解，同時(shí)可能擦出設(shè)計(jì)創(chuàng)新靈感的火花。作為在校大學(xué)生這次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽給了我們一個(gè)難得的鍛煉機(jī)會(huì)，將書(shū)本知識(shí)用于實(shí)踐，培養(yǎng)研究和創(chuàng)新精神。由此，我們?cè)谶M(jìn)行底部大空間時(shí)以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，兼顧外觀(guān)，以期達(dá)到滿(mǎn)意的效果。1.1設(shè)計(jì)構(gòu)思1.1.1 選擇合理的結(jié)構(gòu)形式形式服從功能，建筑物應(yīng)適應(yīng)時(shí)代的要求，注重功能，力求發(fā)揮和表現(xiàn)結(jié)構(gòu)與材料的美學(xué)特點(diǎn)是我們追求的目標(biāo)。底部大空間設(shè)計(jì)方案的選擇，很大程度上取決于結(jié)構(gòu)形式的選擇，所以，在追求外觀(guān)和功能的同時(shí)，我們著重考慮了結(jié)構(gòu)體系的合理性，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以“安全，高效”為核心，力求：“創(chuàng)新，

3、經(jīng)濟(jì)，便捷，美觀(guān)”。選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，使底部大空間不僅可以為各類(lèi)空間需求，而且受力合理，經(jīng)濟(jì)效果較好；同時(shí)，具有美學(xué)效果，給人以深刻的印象。1.1.2 關(guān)于模型設(shè)計(jì)的若干考慮本次底部大空間設(shè)計(jì)過(guò)程，因?yàn)榧虞d方式的確定，并對(duì)底部大空間的尺寸有明確的規(guī)定，同時(shí)應(yīng)考慮受彎構(gòu)件的撓度問(wèn)題和結(jié)構(gòu)在模擬地震荷載作用下的位移，所以在滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提下，還應(yīng)該使受彎構(gòu)件的撓度和結(jié)構(gòu)的位移滿(mǎn)足要求，而不同結(jié)構(gòu)形式在這個(gè)方面的特點(diǎn)均不相同，需要一一進(jìn)行理論和實(shí)際的分析和比較。同時(shí)，由于有沖擊荷載作用，模型的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況下能滿(mǎn)足承載力和位移的要求。在結(jié)構(gòu)的選型中，我們對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行

4、了比較詳盡的理論分析和實(shí)驗(yàn)比較，著重分析結(jié)構(gòu)在靜荷載和模擬地震荷載作用下的撓度和位移問(wèn)題。同時(shí)對(duì)底部大空間結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比選，著重解決荷載作用下?lián)隙群蜏p輕結(jié)構(gòu)自重兩個(gè)問(wèn)題。具體措施主要有以下幾點(diǎn)：（1） 根據(jù)模型的制作材料，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，提高結(jié)構(gòu)剛度和整體性。（2） 針對(duì)結(jié)構(gòu)形式的不同，分析荷載最不利位置，在保證安全可靠的前提下，盡量?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)和減輕質(zhì)量。（3） 由于制作材料是A0繪圖紙和白乳膠，這兩者的相關(guān)材料特性參數(shù)都未知，我們參閱了大量的文獻(xiàn)，包括繪圖紙的正面與反面的差別，順紋和逆紋的區(qū)別等等。（4） 考慮水平?jīng)_擊荷載的影響，我們?cè)诘诙蛹右粋€(gè)水平集中荷載，并相應(yīng)的乘以了一個(gè)沖擊系數(shù)1

5、.4進(jìn)行放大處理。1.2結(jié)構(gòu)選型1.2.1塔式結(jié)構(gòu)的選型在模型的計(jì)算、制作和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同類(lèi)型的模型都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，從質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)的整體剛度和變形控制等方面考慮，找出最為適合的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們?cè)?jīng)考慮過(guò)：（1） 框架結(jié)構(gòu)；這是我們最初考慮的結(jié)構(gòu)類(lèi)型?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由梁柱構(gòu)成，構(gòu)件截面較小，因此框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都較低，它的受力特點(diǎn)類(lèi)似于豎向懸臂剪切梁，樓層越高，水平位移越慢，高層框架在縱橫兩個(gè)方向都承受很大的水平力，這時(shí)，現(xiàn)澆樓面也作為梁共同工作的，裝配整體式樓面的作用則不考慮，框架結(jié)構(gòu)的墻體是填充墻，起圍護(hù)和分隔作用，框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是能為建筑提供靈活的使用空間，但抗沖擊性能

6、差。（2） 塔式結(jié)構(gòu)：下端固定、上端自由的高聳構(gòu)筑物。以自重及水平荷載為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)。塔在風(fēng)荷載或地震作用下引起的振動(dòng)，可按多自由度體系求其自振周期和相應(yīng)的振型曲線(xiàn)。將塔劃分成若干節(jié)段，每一節(jié)段作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，按力法或位移法列出多質(zhì)點(diǎn)的自由振動(dòng)方程，使方程的系數(shù)行列式為零，求得各個(gè)頻率值及其振型曲線(xiàn)（見(jiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)）。1.2.2模型設(shè)計(jì)特色1.合理用材，充分發(fā)揮兩種不同材料的力學(xué)特性。（1）紙的抗拉強(qiáng)度較高，抗剪性能較差，應(yīng)該盡量白紙抗剪；（2）白乳膠的抗剪強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低，因此在節(jié)點(diǎn)位置盡量避免了白乳膠抗拉。2.傳力方式簡(jiǎn)潔明確，避免了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處理，杜絕薄弱環(huán)節(jié)的存在。設(shè)計(jì)按照鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接

7、設(shè)計(jì)方法，采用剛節(jié)點(diǎn)，連接傳力可靠，節(jié)點(diǎn)連接剛度大。放樣、制作標(biāo)注化，使制作的精度提高。節(jié)點(diǎn)連接牢固，制作精度高。3.注意選材經(jīng)仔細(xì)觀(guān)察，我們發(fā)現(xiàn)提供的繪圖紙有正反面之分，實(shí)驗(yàn)表明正面更利于乳膠連接，同時(shí)紙應(yīng)該沿著縱向剪裁。因此，在繪圖紙的選取的時(shí)候應(yīng)該仔細(xì)挑選材料、。4.形式新穎，造型美觀(guān)在設(shè)計(jì)中，我們進(jìn)行了多次構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，力求使外形更美觀(guān)。第2章 方案圖模型效果圖第3章 材料參數(shù)的確定根據(jù)競(jìng)賽規(guī)定要求，我們從繪圖紙的材料性能、模型的加載形式和節(jié)點(diǎn)的鏈接方便程度等方面出發(fā)，采用順紋的繪圖紙和白乳膠，精心設(shè)計(jì)制作了“通天塔”模型。此結(jié)構(gòu)運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件USSCAD和ANSYS進(jìn)行了計(jì)算分析

8、，通過(guò)理論計(jì)算來(lái)更加準(zhǔn)確地說(shuō)明我們結(jié)構(gòu)的合理性。在此之前，我們?cè)诰W(wǎng)上參閱了相關(guān)特性。3.1 繪圖紙的性質(zhì)繪圖紙的彈性模量E=2000N/mm2繪圖紙的質(zhì)量密度=0.77g/mm3繪圖紙的屈服強(qiáng)度f(wàn)y=20Mpa等等。3.2 白乳膠的性質(zhì)白乳膠的化學(xué)名稱(chēng)為聚醋酸乙烯膠粘劑，是由醋酸與乙烯合成醋酸乙烯，添加鈦白粉（低檔的就加輕鈣，滑石粉，等粉料）.再經(jīng)乳液聚合而成的乳白色稠厚液體。白乳膠可常溫固化、固化較快、粘接強(qiáng)度較高，粘接層具有較好的韌性和耐久性且不易老化?？蓮V泛應(yīng)用于粘接紙制品（墻紙），也可作防水涂料和木材的膠粘劑。木質(zhì)材料粘接。它是以水為分散劑，使用安全、無(wú)毒、不燃、清洗方便，常溫固化，對(duì)

9、木材、紙張和織物有很好的黏著力，膠接強(qiáng)度高，固化后的膠層無(wú)色透明，韌性好，不污染被粘接物；乳液穩(wěn)定性好，儲(chǔ)存期可達(dá)半年以上。因此，廣泛地用于印刷裝訂和家具制造，用作紙張、木材、布、皮革、陶瓷等的黏合劑，還可作酚醛樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂等黏合劑的改性劑，用于制造聚醋酸乙烯乳膠漆等。3.3 白乳膠的使用及注意事項(xiàng) 先清潔紙的表面，除去面上面的灰塵、油污等打開(kāi)瓶蓋后因盡量封口，以免氧化，同時(shí)應(yīng)該存放在陰涼處。第4章 計(jì)算書(shū)根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則要求，我們從紙的材料性能、模型的加載形式和節(jié)點(diǎn)連接方面程度等方面出發(fā)，采用裁剪后的紙桿、用白乳膠作為粘結(jié)劑，精心設(shè)計(jì)了該塔式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型。此結(jié)構(gòu)模型運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件USSCA

10、D和ANSYS進(jìn)行了計(jì)算分析，通過(guò)理論計(jì)算來(lái)更加準(zhǔn)確地說(shuō)明我們的結(jié)構(gòu)合理性。 此結(jié)構(gòu)為空間網(wǎng)格形式，涉及桿件較多，具有多次超靜定的特性，通過(guò)手工計(jì)算難以獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。因此，我們根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)形式、桿件截面以及材料屬性等設(shè)計(jì)參數(shù)，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件USSCAD中建立結(jié)構(gòu)的分析模型。分析假定：（1）結(jié)構(gòu)分析模型的約束取在四個(gè)柱子的柱底，實(shí)際模型柱底通過(guò)鋼壓條固定，因此取為固定端約束；（2）所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在彈性范圍內(nèi)工作；（3）地震荷載簡(jiǎn)化為線(xiàn)荷載加在橫梁上；（4）順紋方向材質(zhì)連續(xù)，均勻；（5）梁與梁、梁與支撐之間結(jié)點(diǎn)均為剛結(jié)；（6）荷載塊荷載簡(jiǎn)化為線(xiàn)荷載；（7）桿件計(jì)算時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式。

11、根據(jù)以上假定，通過(guò)USSCAD計(jì)算模型，所得的內(nèi)力和位移作為桿件設(shè)計(jì)的依據(jù)。此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽規(guī)定了主體結(jié)構(gòu)的平面尺寸大小，限定了底層最小高度和高度的最大限值，底層的凈空要求，其設(shè)計(jì)目的是為了在滿(mǎn)足競(jìng)賽要求的情況下，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)出材料消耗較少，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度盡量大的結(jié)構(gòu)模型。本著“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理”的設(shè)計(jì)原則，我們權(quán)衡了幾種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選做空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果僅加豎向荷載時(shí)：加載圖 變形圖剪力圖彎矩圖軸力圖加了水平?jīng)_擊荷載后：剪力圖彎矩圖位移圖軸力圖計(jì)算分析：第一層截面：200200mm，高度600mm第二層截面：300200mm，高度400m

12、m第三層截面：450200mm，高度200mm桿件截面：內(nèi)徑d1=10mm，外徑D=14mm，I=1394.16mm4A=（D-d）=75.36mmmax=Mmax/I.h/2=41561394.1672=10.43N/mm20N/mm滿(mǎn)足要求同時(shí)，變形最大為31.33mm，滿(mǎn)足變形要求。第5章 模型制作5.1制作流程在模型的制作過(guò)程中，某些工序需要兩人或三人配合才能完成，例如連接節(jié)點(diǎn)、受力構(gòu)件的制作、模型組裝等，而某些工序一人即可完成，例如切割紙片等。為了有效利用時(shí)間，避免窩工現(xiàn)象的發(fā)生，并在限期內(nèi)完成作品，合理安排制作流程及人員搭配就顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)賽前模擬，精確計(jì)算出各工序所需時(shí)間，以及每位隊(duì)員對(duì)各項(xiàng)工作的熟練程度，最后得出明確的制作流程。領(lǐng)取材料及工具完三人檢查模型三人組裝模型三人制作模型一人準(zhǔn)備模具兩人剪裁繪圖紙制作準(zhǔn)備5.2下料本模型的主體結(jié)構(gòu)為空間網(wǎng)架體系，其主要特點(diǎn)是梁?jiǎn)卧吞?hào)較多，分別制作零散而且影響效率。為制作方便，在不影響結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下，我們對(duì)模型的尺寸進(jìn)行了微小的調(diào)整，使我們的模型成為一個(gè)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件種類(lèi)得到了最大程度的減少，實(shí)現(xiàn)最大程度的批量化生產(chǎn)。5.3梁的制作考慮模型制作工藝及所用材