结构设计竞赛参赛设计说明书(附图纸)供参考

设计竞赛设计说明书

作品名称 ============== 参赛队员 ========================================= 专业名称

指导教师 =====================================

二〇一四年

理论分析计算书目录

一、设计说明 ……………………………………………………（3）

1、方案构思 ……………………………………………………（3）

2、结构选型 ……………………………………………………（3）

3、结构特色 ……………………………………………………（4）

二、结构承重计算 ………………………………………………（4）

1、设计基本假定…………………………………………………（4）

2、模型结构图 …………………………………………………（4）

3、弯矩内力计算 ………………………………………………（5）

4、剪力计算 …………………………………………………（6）

5、轴力计算 ………………………………………………（6）

6、计算成果应用模型设计……………………………………（7）

三、模型简图 …………………………………………………（8）

四、参考文献 …………………………………………………（9）

一、设计说明

根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性，抗拉特性，加载形式和挠度控制要求等方面出发，结合赛会绿色环保的理念，采用比赛要求的230g白色卡纸、白乳胶、铅丝线精心制作出这款名为“语塞幻想”的塔吊模型。

1、方案构思

塔吊模型支柱主要通过悬臂梁承受较大偏心荷载。这就要求悬臂梁具有较强的抗弯性能，柱子需要较强的抗压和抗弯性能。整个塔吊模型悬臂端处挠度值需小于50mm，因此在承载力满足要求的前提下，尽可能地控制结构的整体变形。 结合纸质杆件材料参数难以确定的特点（如杆件抗拉、压强度等），我们采用定性分析和试载实验相结合的方法来完成模型的设计制作。

2、结构选型

按设计要求，结合塔吊的受力特征，模型柱子采用矩形截面空间桁架结构。梁由底端的两道箱型细长梁以及连接至柱顶的斜拉结构组成。

因柱子在满载的工况下为偏心受压状态，C点加载5kg时，偏心距为e=M/N=341mm。因此在柱受拉和受压一侧杆件布置可不等。 在斜拉材料的选取上，主要有铅丝线，纸带和细杆三种。从自重角度上出发，铅丝线和纸带能大幅减轻结构自重。但在三次试载实验中，我分分别采用加密斜拉联系的情况下，挠度控制效果不明显，C点最小挠度高达90mm。并且试载期间还出现斜拉结构绷直程度不均匀导致的结构扭转破坏。鉴于此，我们拟采用了细长斜拉杆作为斜拉

结构。试载实验中，在仅有三道斜拉杆的情况下，C点挠度基本能控制在50mm以内。通过进一步实验，在斜拉杆和主梁间适当增加斜杆作为支撑能够进一步减小C点的挠度。最终，我们将梁设计为非等强度杆件组成的空间桁架结构。

3、结构特色

这个名为 的模型是经过多次循环反复试验而制作出来的，它凝聚了所有试验所得的经验。

它的优点：

（1）从结构的外形上看，我们充分地利用了三角形稳定性的原理，结构主要受力部分几乎都由三角形连接。

（2）斜拉结构，拉杆和压杆分工明确，为数不多且瘦弱（单层纸）的斜腹杆很好了串联彼此，让三者唇齿相依，构造出了一道较强的梁。

（3）我们将柱四角的杆件改为单根，通过增加斜杆，来增加整体稳定性，且让结构不那么枯燥单调。

二、结构承重计算

1、设计基本假定

（1）杆件材质连续均匀。

（2）柱子结构节点连接为理想桁架节点。

2、模型结构图

根据模型结构和加载方式，模型可简化为如下图所示。其中

A、B在加载期间为集中荷载，分别为50N、10N。C点由0递增到50N。

3、弯矩内力计算

根据结构简图，可绘出C点荷载增加期间弯矩包络图如下：

4、剪力计算

根据结构简图，可绘出C点荷载增加期间剪力包络图如下：

5、轴力计算

根据结构简图，可绘出C点荷载增加至最大时柱轴力图：

6、计算成果应用模型设计

因难以确定杆件各项力学性能指标，故难以应用弹塑性方法来进行抗力计算。因此，我们根据计算成果中的弯矩，剪力，轴力在结构中分布特点选择性地减轻或减弱。模型结构设计基本遵循以下步骤：

（1）、参照弯矩、剪力包络图，轴力图，在危险点或区段强化结构强度或刚度，做出结构模型。

（2）、完全模拟赛会要求的加载方式对结构进行试验性加载。测出相应的挠度，破坏位置以及局部变形特征。

（3）、对试验所取得的成果进行定性分析，经讨论给出相应的解决方案，再次经行试验。若强度满足要求，可定性地选择性增加或去除部分支撑辅助杆件，以期达到提升刚度、控制变形或者优化结构的目的。

现列举模型制作以及试验过程中，所遇到的一些问题及解决方案：

（1） 问题：梁与柱顶连接处和柱中间支撑处，杆件局部受压

变形，带动相邻杆件突然破坏。

原因分析：因纸质杆件为薄壁结构，柱顶集中荷载较大，极易产生局部变形而影响结构整体稳定性。这点符合钢结构中的局部承压问题的特征。

解决方案：参照钢结构中加劲肋的设计方法对集中荷载处加强，如粘贴若干纸片硬化。

(2) 问题：当荷载较大或用悬绳连接时，结构因晃动产生扭转

而突然破坏。

原因分析：制作过程中，因误差、加载晃动或者柔软结构

绷直程度不一致造成作用力偏心，产生扭矩。纸带或绳索又不能约束这种扭转，而梁，柱因未采取抗扭设计而不足以抵抗扭转破坏。

解决方案：在梁、柱加设横向支护杆或增大柱截面尺寸。

模型效果图

四、参考文献

1、材料力学(上，第五版),孙训方,2009,高等教育出版社

2、结构力学(上，第五版），李廉锟，2010，高等教育出版社

3、钢结构基本原理，金生吉，白泉，谷军明，中国建材工业出版社