第五武汉大学结构设计大赛设计书.docx

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第五武汉大学结构设计大赛设计书

目录

第1章设计思路2

1.1设计构思2

1.2结构选型3

第2章方案图5

模型效果图5

第3章材料参数的确定6

3.1绘图纸的性质6

3.2白乳胶的性质6

3.3白乳胶的使用及注意事项7

第4章计算书7

第5章模型制作8

5.1制作流程8

5.2下料8

5.3梁的制作8

5.4组装8

第1章设计思路

本次结构设计大赛即设计一个底部大空间三层建筑结构，而我们的设计作品在建筑外形上为塔式结构，因为塔式结构在长久的时间中被认为是具有更好的抗冲击性能结构。

因此在满足静载作用的前提条件下，塔式结构可以更好的抵抗冲击荷载作用。

竞赛规则要求同时考虑竖向永久荷载和水平冲击荷载这两种荷载，已达到和实际情况接近的目的，使得比赛过程更加贴近生活，让参赛选手对实际工程有了大致的了解，同时可能擦出设计创新灵感的火花。

作为在校大学生这次结构设计大赛给了我们一个难得的锻炼机会，将书本知识用于实践，培养研究和创新精神。

由此，我们在进行底部大空间时以结构设计为主导，兼顾外观，以期达到满意的效果。

1.1设计构思

1.1.1选择合理的结构形式

形式服从功能，建筑物应适应时代的要求，注重功能，力求发挥和表现结构与材料的美学特点是我们追求的目标。

底部大空间设计方案的选择，很大程度上取决于结构形式的选择，所以，在追求外观和功能的同时，我们着重考虑了结构体系的合理性，经济性和实用性。

结构设计应以“安全，高效”为核心，力求：

“创新，经济，便捷，美观”。

选择合理的结构设计形式，使底部大空间不仅可以为各类空间需求，而且受力合理，经济效果较好；同时，具有美学效果，给人以深刻的印象。

1.1.2关于模型设计的若干考虑

本次底部大空间设计过程，因为加载方式的确定，并对底部大空间的尺寸有明确的规定，同时应考虑受弯构件的挠度问题和结构在模拟地震荷载作用下的位移，所以在满足强度和稳定的前提下，还应该使受弯构件的挠度和结构的位移满足要求，而不同结构形式在这个方面的特点均不相同，需要一一进行理论和实际的分析和比较。

同时，由于有冲击荷载作用，模型的设计应该考虑动力荷载结构振动情况下能满足承载力和位移的要求。

在结构的选型中，我们对各种结构形式进行了比较详尽的理论分析和实验比较，着重分析结构在静荷载和模拟地震荷载作用下的挠度和位移问题。

同时对底部大空间结构形式进行比选，着重解决荷载作用下挠度和减轻结构自重两个问题。

具体措施主要有以下几点：

（1）根据模型的制作材料，选择适当的结构形式，提高结构刚度和整体性。

（2）针对结构形式的不同，分析荷载最不利位置，在保证安全可靠的前提下，尽量优化结构和减轻质量。

（3）由于制作材料是A0绘图纸和白乳胶，这两者的相关材料特性参数都未知，我们参阅了大量的文献，包括绘图纸的正面与反面的差别，顺纹和逆纹的区别等等。

（4）考虑水平冲击荷载的影响，我们在第二层加一个水平集中荷载，并相应的乘以了一个冲击系数1.4进行放大处理。

1.2结构选型

1.2.1塔式结构的选型

在模型的计算、制作和实验过程中，不同类型的模型都有自己的优缺点，从质量以及结构的整体刚度和变形控制等方面考虑，找出最为适合的结构类型。

在整个设计过程中，我们曾经考虑过：

（1）框架结构；这是我们最初考虑的结构类型。

框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间，但抗冲击性能差。

（2）塔式结构：

下端固定、上端自由的高耸构筑物。

以自重及水平荷载为结构设计主要依据。

塔在风荷载或地震作用下引起的振动，可按多自由度体系求其自振周期和相应的振型曲线。

将塔划分成若干节段，每一节段作为一个质点，按力法或位移法列出多质点的自由振动方程，使方程的系数行列式为零，求得各个频率值及其振型曲线（见结构振动）。

1.2.2模型设计特色

1.合理用材，充分发挥两种不同材料的力学特性。

（1）纸的抗拉强度较高，抗剪性能较差，应该尽量白纸抗剪；

（2）白乳胶的抗剪强度高，抗拉强度低，，因此在节点位置尽量避免了白乳胶抗拉。

2.传力方式简洁明确，避免了复杂节点处理，杜绝薄弱环节的存在。

设计按照钢结构节点连接设计方法，采用刚节点，连接传力可靠，节点连接刚度大。

放样、制作标注化，使制作的精度提高。

节点连接牢固，制作精度高。

3.注意选材

经仔细观察，我们发现提供的绘图纸有正反面之分，实验表明正面更利于乳胶连接，同时纸应该沿着纵向剪裁。

因此，在绘图纸的选取的时候应该仔细挑选材料、。

4.形式新颖，造型美观

在设计中，我们进行了多次构件标准统一，力求使外形更美观。

第2章方案图

模型效果图

第3章材料参数的确定

根据竞赛规定要求，我们从绘图纸的材料性能、模型的加载形式和节点的链接方便程度等方面出发，采用顺纹的绘图纸和白乳胶，精心设计制作了“通天塔”模型。

此结构运用钢结构设计软件USSCAD和ANSYS进行了计算分析，通过理论计算来更加准确地说明我们结构的合理性。

在此之前，我们在网上参阅了相关特性。

3.1绘图纸的性质

绘图纸的弹性模量E=2000N/mm2

绘图纸的质量密度ρ=0.77g/mm3

绘图纸的屈服强度fy=20Mpa等等。

3.2白乳胶的性质

白乳胶的化学名称为聚醋酸乙烯胶粘剂，是由醋酸与乙烯合成醋酸乙烯，添加钛白粉（低档的就加轻钙，滑石粉，等粉料）.再经乳液聚合而成的乳白色稠厚液体。

白乳胶可常温固化、固化较快、粘接强度较高，粘接层具有较好的韧性和耐久性且不易老化。

可广泛应用于粘接纸制品（墙纸），也可作防水涂料和木材的胶粘剂。

木质材料粘接。

它是以水为分散剂，使用安全、无毒、不燃、清洗方便，常温固化，对木材、纸张和织物有很好的黏着力，胶接强度高，固化后的胶层无色透明，韧性好，不污染被粘接物；乳液稳定性好，储存期可达半年以上。

因此，广泛地用于印刷装订和家具制造，用作纸张、木材、布、皮革、陶瓷等的黏合剂，还可作酚醛树脂、脲醛树脂等黏合剂的改性剂，用于制造聚醋酸乙烯乳胶漆等。

3.3白乳胶的使用及注意事项

先清洁纸的表面，除去面上面的灰尘、油污等打开瓶盖后因尽量封口，以免氧化，同时应该存放在阴凉处。

第4章计算书

根据竞赛规则要求，我们从纸的材料性能、模型的加载形式和节点连接方面程度等方面出发，采用裁剪后的纸杆、用白乳胶作为粘结剂，精心设计了该塔式网格结构模型。

此结构模型运用钢结构设计软件USSCAD和ANSYS进行了计算分析，通过理论计算来更加准确地说明我们的结构合理性。

此结构为空间网格形式，涉及杆件较多，具有多次超静定的特性，通过手工计算难以获得准确的计算结果。

因此，我们根据确定的结构形式、杆件截面以及材料属性等设计参数，在钢结构设计软件USSCAD中建立结构的分析模型。

分析假定：

（1）结构分析模型的约束取在四个柱子的柱底，实际模型柱底通过钢压条固定，因此取为固定端约束；

（2）所有结构构件均在弹性范围内工作；

（3）地震荷载简化为线荷载加在横梁上；

（4）顺纹方向材质连续，均匀；

（5）梁与梁、梁与支撑之间结点均为刚结；

（6）荷载块荷载简化为线荷载；

（7）杆件计算时采用钢结构的计算模式。

根据以上假定，通过USSCAD计算模型，所得的内力和位移作为杆件设计的依据。

此次结构设计竞赛规定了主体结构的平面尺寸大小，限定了底层最小高度和高度的最大限值，底层的净空要求，其设计目的是为了在满足竞赛要求的情况下，应用结构力学、材料力学、钢结构等相关知识，设计出材料消耗较少，同时结构强度和刚度尽量大的结构模型。

本着“安全可靠、经济合理”的设计原则，我们权衡了几种不同方案的优缺点，最终选做空间网格结构。

计算结果

仅加竖向荷载时：

加载图

变形图

剪力图

弯矩图

轴力图

加了水平冲击荷载后：

剪力图

弯矩图

位移图

轴力图

计算分析：

第一层截面：

200×200mm，高度600mm

第二层截面：

300×200mm，高度400mm

第三层截面：

450×200mm，高度200mm

杆件截面：

内径d1=10mm，外径D=14mm，I=1394.16mm4

A=¼π（D²-d²）=75.36mm²

σmax=Mmax/I.h/2=4156／1394.16×7÷2=10.43N/mm²<20N/mm²满足要求

同时，变形最大为31.33mm，满足变形要求。

第5章模型制作

5.1制作流程

在模型的制作过程中，某些工序需要两人或三人配合才能完成，例如连接节点、受力构件的制作、模型组装等，而某些工序一人即可完成，例如切割纸片等。

为了有效利用时间，避免窝工现象的发生，并在限期内完成作品，合理安排制作流程及人员搭配就显得尤为重要。

经过赛前模拟，精确计算出各工序所需时间，以及每位队员对各项工作的熟练程度，最后得出明确的制作流程。

领取材料及工具

完

三人检查模型

三人组装模型

三人制作模型

一人准备模具

两人剪裁绘图纸

制作准备

5.2下料

本模型的主体结构为空间网架体系，其主要特点是梁单元型号较多，分别制作零散而且影响效率。

为制作方便，在不影响结构整体刚度的前提下，我们对模型的尺寸进行了微小的调整，使我们的模型成为一个对称的结构，构件种类得到了最大程度的减少，实现最大程度的批量化生产。

5.3梁的制作

考虑模型制作工艺及所用材料的特性，此次模型梁的形式采用了矩形截面和圆形截面这两种截面。

在粘连梁单元过程中，保证胶水涂得准确，一次到位，粘结可靠不浪费。

最后对梁单元端部进行处理，根据节点处梁单元相对位置关系，切削成所需形状，便于梁单元的对接。

5.4组装

模型的组装主要分为以下几步：

单榀刚架组装、两榀间支撑安装、节点加固。