第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛计算书.docx
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第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛计算书
第十一届同济大学大学生结构设计与模型竞赛
体育场悬挑屋盖结构计算书
设计者
学号
姓名
组长
0807XX
于发扬
组员
080767
周胤卓
080774
徐佳琦
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)布纹纸密度:
120g/m2、
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:
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。
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:
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
颜色
截面积
(mm×mm)
惯性矩(mm4)
图示
红色
4×6
72.00
黄色
2×4
10.67
蓝色
1×5
10.42
2柱子整体参数
参数名称及单位
参数值
弹性模量(MPa)
10000
长(mm)
560
宽(mm)
100
高(mm)
312,412
截面(mm×mm)
100×560
惯性矩(cm4)
146347
压力(N)
18.424
临界压力(kN)
373100
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)
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