第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛(计算书)

设计者 学号 姓名 组 长 0807XX 于发扬 组 员

080767 周胤卓 080774

徐佳琦

目录

一、设计说明 ..................................... 3

1、结构简介 .............................................................. 3 2、材料与工具 ............................................................ 3 3、加载要求 .............................................................. 3

二、设计过程 ..................................... 4

1、整体概念 .............................................................. 4 2、基本设计 .............................................................. 4 3、最终模型 .............................................................. 5

3.1 柱子 ............................................................. 5 3.2 梁 ............................................................... 5 3.3 拉索 ............................................................. 6

三、结构分析与计算 ............................... 6

1、各杆件规格 ............................................................ 6 2 柱子整体参数 ........................................................... 7 3 荷载计算 ............................................................... 8

一、设计说明

1、结构简介

该结构模型是体育场看台上部悬挑屋盖结构，包括下部看台、过渡钢板和上部挑篷结构三部分。其中自行设计制作的是挑篷结构，并通过螺栓与过渡钢板连接。过渡钢板与看台则通过螺栓连接。

挑篷包括支承骨架和围护材料两部分。其中支承骨架为空间桁架结构，受到几何尺寸以及重量的限制；围护材料采用120g布纹纸，要求不得露出缝隙。

为了达到更好的承载效果，本结构整体采用了7排平面桁架组合而成的空间桁架，并辅以拉索（以木条制成）提高承载力，充分利用了可用空间，并在很大程度上提高了结构的承载能力；由于木条在拉伸中变形较小，位移也有所减小。同时，在经过仔细计算分析后，将部分桁架内部杆件减重或去除，以减轻整体结构的重量。

图1

2、材料与工具

（1）木材：桐木，长1250mm；

截面规格（mm×mm）：2×2、2×4、2×6，4×6；1×55； 木材力学性能参考值：顺纹弹性模量 E=1.0×104MPa，

顺纹抗拉强度 30MPa。

2

（2）布纹纸密度：120g/m、

M4螺栓（无垫片） （3）胶水：502胶水

（4）制作工具：美工刀、钢尺、砂纸、锉刀、改锥、小型锯子、砂轮机、打孔机等。

3、加载要求

（1）在距悬挑屋盖前缘50mm处缓慢施加一重物加载条，测量屋盖前端在重物荷载作用下的

竖向位移，记为d1。重物加载条为钢质，截面20mm×20mm，长600mm，重约1.88kg，在屋面上沿垂直悬挑方向放置，测量完毕后取下。 （2）在悬挑屋盖前1m处设置一鼓风机，进行两档风速加载，第一档为9m/s，第二档为12m/s。

测量并记录9m/s风速下屋盖前端的位移时程，根据3.2节的数据处理方法得到得到结构的风振极值响应，记为d2。

（3）进行12m/s风速加载，考察模型的极限承载能力，模型出现损坏（标志为模型任何构件

包括覆面材料或连接发生明显破损）即视为比赛失败。

二、设计过程

1、整体概念

根据比赛规则及限制，为了达到更好的承载效果，本结构采用了7排平面桁架组合而成的空间桁架。对于每一平面桁架，利用三角形桁架结构不易变形的特点，以其作为挑蓬的粱，充分利用了可用空间。并在第2、4、6排平面桁上端辅以拉索结构提高挑蓬上部承载力，以期减小加载时的位移。

2、基本设计

7排平面桁架采用两种形式交替相连结，其中3排为带拉索的结构，4排为普通结构，4排普通结构通过连杆将力传递至带拉索的结构。基本思路是利用拉索的抗拉能力承受主要荷载，以期降低对其它结构的抗载要求，节约材料。

基本设计如下：

图2

如图2所示，带拉索的结构用木片错开于两边分别连接梁与柱，前部拉索中间密外侧疏，最中间一排桁架采用两根带有类似牛腿结构的柱子固定拉索，两边则将柱子断开分别与梁连接。拉索与梁连接的最前端原本有70mm的平坦部分，后经计算改为100mm。其余部分与另外4排普通桁架结构相同。

3、最终模型

3.1 支座

支座作为整体结构的支撑部分，根据题目要求可通过螺栓与地面连接（认为是刚接），主要承受压力，弯矩和部分扭矩。因承受弯矩，柱子的I较大时位移较小，故柱子的主要重量集中在四周。

柱子由7个平行的桁架连接而成，每一片桁架如右图所示。为防止柱子的失稳，在柱子的三等分点处设置横隔板，横隔板之间加剪刀撑。 3.2 梁

梁在挑蓬结构中主要承受弯矩，部分扭矩。通过502胶水与柱子连接，因此连接处视为铰接。由于整体结构中梁受的弯矩较大，产生的位移也较大，因此，梁采用较稳定的三角型构造，斜边在下，以减小位移，同时把部分梁上的弯矩转化为对于木结构较为有利的轴力。同时，部分梁上部以拉索的形式减小位移。

图

A

梁分为3排带拉索的结构（如上图A）和4排普通结构（如上图B），交替排列，4排普通结构通过连杆将力传递至带拉索的结构。内部杆件如上图所示，7排桁架之间的连接方式如下图所示：

图B

3.3 拉索

拉索作为该结构的辅助配件，主要承受拉力，再加上风荷载时会承受部分压力。但由于自重小，可承受的拉力大，拉索便成为了较为重要的一部分，拉索由木片制成，通过502胶水与梁相连。拉索的排布为中间密外侧疏。前端距离挑蓬最前缘100mm。

拉索排布如下图：

三、结构分析与计算

1、各杆件规格

2 柱子整体参数

3 荷载计算

（黑色表示变形，红色是弯矩，蓝色是剪力，绿色是轴力，关键处有数值） 1框架部分静荷载下受力及变形情况

2.静荷载下整体受力情况及变形情况

3.风荷载下整体受力及变形（定性）