結(jié)構(gòu)模型設(shè)計方案示例

湖南省“路橋杯”大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽中南大學(xué)參賽設(shè)計方案說明書作品名稱劍橋?qū)W校名稱中南大學(xué)學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)生姓名專業(yè)班級指導(dǎo)教師聯(lián)系二○○六年七月十四日目錄摘要21設(shè)計說明書31.1概述31.2方案簡介31.3結(jié)構(gòu)模型及方案特點41.4應(yīng)用前景51.5施工流程:51.6施工要點:52結(jié)構(gòu)方案圖62.1結(jié)構(gòu)效果圖62.2結(jié)構(gòu)俯視圖63設(shè)計計算書73.1結(jié)構(gòu)計算模型73.2結(jié)構(gòu)強度計算83.2.1拱肋強度計算83.2.2拉桿強度計算93.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析9參考文獻11摘要本文根據(jù)湖南省“路橋杯”土木建筑類大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽規(guī)程和使用材料的特點要求，結(jié)合現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的特點，借鑒細(xì)桿拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計概念構(gòu)思了本結(jié)構(gòu)模型。在造型上，空間上主要采用三角形、梯形等幾何元素，注重結(jié)構(gòu)的整體性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，充分根據(jù)木材的力學(xué)性能，主要受力構(gòu)件采用格構(gòu)式組合構(gòu)件，利用斜向支撐增加結(jié)構(gòu)空間作用，提高抗側(cè)能力。并通過采用ANSYS有限元軟件的空間分析，根據(jù)構(gòu)件的受力情況沿桿件變化，采用了變截面的桿件，充分的利用材料，經(jīng)過ANSYS的計算表明，結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下，均能滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型、設(shè)計大賽、模型制作1設(shè)計說明書1.1概述對于結(jié)構(gòu)模型，穩(wěn)定性起著控制作用，包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，選擇合理有效的結(jié)構(gòu)受力體系對結(jié)構(gòu)模型設(shè)計有著重要意義。模型設(shè)計中，主要應(yīng)考慮充分利用木材薄片受力性能特點。就本次競賽而言，關(guān)鍵在于充分利用木材薄片受拉性能好，受壓則需要組合成柱的特點，選擇優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型，使結(jié)構(gòu)模型能夠接近競賽規(guī)定的最大加載荷載，同時盡可能降低結(jié)構(gòu)的自身重量。本結(jié)構(gòu)模型根據(jù)以上思想，進行結(jié)構(gòu)的構(gòu)思與設(shè)計。1.2方案簡介本結(jié)構(gòu)整體外型為一個上承式桁架。其造型融入三角形和梯形等美學(xué)元素，整體造型簡單、受力形式較好，符合本次競賽的設(shè)計理念。結(jié)構(gòu)根據(jù)競賽規(guī)程的要求，確定合理跨度和高度以后，以四根斜桿為主要受力構(gòu)件向下傳力，頂部做成一個加載平臺。根據(jù)各個面內(nèi)的抗彎剛度要求，靈活選用桿的形式，通過計算得出合理拱軸線的位置，合理布置桿拱的空間角度；再合理布置支撐桿件，用于抵抗荷載傳來的水平力分力并減小側(cè)移；并通過ANSYS軟件模擬多種荷載情況下的破壞情況，找出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)進行局部加強，使得結(jié)構(gòu)的破壞向強度破壞靠近，從而使本結(jié)構(gòu)模型具有足夠的承載能力和優(yōu)秀的抗側(cè)能力。1.3結(jié)構(gòu)模型及方案特點本結(jié)構(gòu)模型的特點有：（1）、通過結(jié)構(gòu)模型使荷載有效地轉(zhuǎn)化，使得結(jié)構(gòu)的構(gòu)件基本只受拉或受壓，構(gòu)件基本不受彎或所受彎矩很?。ㄍㄟ^ANSYS分析可知，桿件的最大彎矩引起的應(yīng)力只有最大軸力引起的應(yīng)力的10%左右）能充分發(fā)揮構(gòu)件的力學(xué)性能。模型的主要受力構(gòu)件為四根傳力的斜桿、連接斜桿成拱的拱肋、以及下部受拉的桿件組成。呈兩個梯形平面布置，中間用橫梁和斜向支撐連接，增加結(jié)構(gòu)的整體性。（2）、斜桿的合理設(shè)置。木材薄片軸向受拉力學(xué)性能較好，受彎性能低劣，并且做成組合桿件來受彎所需材料較多，故主要利用斜桿把豎向力轉(zhuǎn)化為下部的水平力拉力，利用木材薄條承受水平拉力，盡量避免通過構(gòu)件直接受彎。經(jīng)分析表明，同樣高度的斜桿，其抗水平力的性能與sin2成正比，45度時為極大值，也即最好的發(fā)揮了斜撐作用。本模型在考慮高度和跨度的限制以后，斜桿的與水平面的夾角為盡量接近45度角，充分發(fā)揮下部細(xì)桿的較高受拉性能。（3）、橫向支撐的有效布置，在寬度方向交叉布置了一定數(shù)量的斜向支撐，并根據(jù)ANSYS的計算結(jié)果局部加強，有效的增強了整體的扭轉(zhuǎn)體形，也更有利于創(chuàng)造高效的抗側(cè)力體系。（4）、斜桿采用了由三片薄板組合而成的格構(gòu)式梁，既增加了面內(nèi)的抗彎剛度，也增加了桿件發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)的概率。同時有效的增加了構(gòu)件制作時的粘結(jié)面，非常適合于本次競賽模型的制作。1.4應(yīng)用前景本機構(gòu)模型與細(xì)桿拱橋的形式有很大的相似性，但是直接用于工程實際中還存在一定距離，主要問題是模型主要針對競賽設(shè)計的，只考慮了加載臺上的豎向靜荷載，沒有考慮動載、橫向縱向的水平荷載等因素，還需要連接橋面板的細(xì)拉索等還需要加設(shè)。盡管如此，其設(shè)計思想對于實際結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的意義。由于受力均勻，可充分利用材料；結(jié)構(gòu)也較大，可以設(shè)計成大跨度結(jié)構(gòu)；而三片薄板組成的組合桿件是設(shè)計上的一種新的嘗試，斜撐作用、桿拱結(jié)構(gòu)使得結(jié)構(gòu)側(cè)移很小，以及為腹部提供很大的利用空間。1.5施工流程:鋸切木材制作桿件砂紙打磨木材表面制作組合構(gòu)件拼裝梯形結(jié)構(gòu)拼裝空間骨架安裝斜撐節(jié)點處補膠(※)加工局部結(jié)構(gòu)養(yǎng)護加載END1.6施工要點:制作組合桿件時應(yīng)保證橫隔板的粘結(jié)牢固,避免因橫隔板出現(xiàn)脫落使柱局部失穩(wěn)出現(xiàn)破壞。由于斜向組合桿件是本方案主要受力構(gòu)件,一旦出現(xiàn)上述問題,將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的受力性能。拼裝梯形結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)空間體系時應(yīng)避免由于桿件的制作誤差引起對稱位置平面和空間角度不相等，甚至引起整個結(jié)構(gòu)的重心發(fā)生偏移，使得在加載時因偏心而側(cè)翻。斜向支撐的拼裝時應(yīng)嚴(yán)格控制誤差,保證支撐桿與斜桿所成角度相等，并使各支撐間間距相等。由于競賽使用的是502膠水，其干硬速度非?？?，所以粘結(jié)要先準(zhǔn)備好需要粘結(jié)的構(gòu)件，再來粘結(jié)，并由多人協(xié)調(diào)完成。后期應(yīng)注意補強粘結(jié)柔弱處，特別是在受水平力的斜桿處增加阻隔板，增強節(jié)點強度。2結(jié)構(gòu)方案圖2.1結(jié)構(gòu)效果圖圖2-1三維結(jié)構(gòu)效果圖2.2結(jié)構(gòu)俯視圖圖2-2結(jié)構(gòu)俯視圖3設(shè)計計算書結(jié)構(gòu)計算模型利用Ansys有限元軟件，采用空間桿系模型對結(jié)構(gòu)進行空間分析，結(jié)構(gòu)分析模型如圖3-1所示。在Ansys建模時，按以下原則進行：（1）模擬方式：主梁、橫聯(lián)采用Beam44單元，下部拉桿，采用Link10單元，支座為簡支，用四個點來模擬，一個點約束三個方向線位移，另外三個點約束豎向線位移。（2）材料特性：按競賽規(guī)程木材的彈性模量取E=16.5Mpa，抗拉強度為80MPa，抗壓強度為35MPa。（3）荷載施加：根據(jù)競賽要求，在結(jié)構(gòu)的頂部加載，本計算模型以四個大小相同的力作用在頂部四個節(jié)點上，見圖3-1。圖3-1結(jié)構(gòu)空間分析模型結(jié)構(gòu)強度計算由于結(jié)構(gòu)對稱，且在所選定的荷載作用方向上，結(jié)構(gòu)受力相同，故可取結(jié)構(gòu)的一種加載情況進行計算，主要進行拱肋、拉桿和橫撐強度計算。拱肋強度計算(1)截面幾何特性拱肋采用三片薄板以隔板粘合而成，截面面積A＝42mm2,截面慣性矩I＝686mm截面抵抗矩W=I/Y＝686/7=98mm3(2)內(nèi)力拱肋內(nèi)力見表3-1，彎矩Mz很小，桿件的抗彎強度能滿足。表3－1拱肋內(nèi)力表結(jié)點號軸力(N)面內(nèi)彎矩()應(yīng)力（Mpa)27-391.12-0.07-11.91-391.12-0.07-11.927-391.09-0.07-11.924-391.09-0.07-11.924-391.1-0.13-12.833-391.1-0.13-12.833-391.07-0.18-13.330-391.07-0.18-13.330-391.06-0.19-13.639-391.06-0.19-13.639-391.03-0.19-13.536-391.03-0.19-13.536-391.03-0.15-13.044-391.03-0.15-13.0拉桿強度計算(1)截面幾何特性拉桿采用截面為的細(xì)條，截面面積A＝8mm2。(2)內(nèi)力由Ansys有限元軟件計算，得桿內(nèi)拉力約300.6N，應(yīng)力約37.6MPa同理可得斜撐等的應(yīng)力分布情況，繪制應(yīng)力分布圖如圖3-2。圖3-2應(yīng)力分布圖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析采用子空間迭代法進行分析，在ANSYS軟件中，以1000N的豎向外荷載為基準(zhǔn)荷載，通過計算提取前五階失穩(wěn)系數(shù)，其結(jié)果見表3-2。表3-2前5階失穩(wěn)系數(shù)階數(shù)穩(wěn)定系數(shù)失穩(wěn)類型失穩(wěn)圖示10.90034整體失穩(wěn)21.026拱肋扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)