结构模型设计方案示例

湖南省“路桥杯”大学生结构模型创作竞赛中南大学参赛设计方案说明书作品名称剑桥学校名称中南大学学生姓名专业班级学生姓名专业班级学生姓名专业班级指导教师联系电话二○○六年七月十四日目录摘要.......................................................................................................21设计说明书...........................................................................................31.1概述.............................................................................................31.2方案简介.....................................................................................31.3结构模型及方案特点................................................................41.4应用前景.....................................................................................51.5施工流程:..................................................................................51.6施工要点:..................................................................................52结构方案图.............................................................................................62.1结构效果图...................................................................................62.2结构俯视图...................................................................................63设计计算书.............................................................................................73.1结构计算模型.............................................................................73.2结构强度计算.............................................................................83.2.1拱肋强度计算..................................................................83.2.2拉杆强度计算..................................................................93.3结构稳定分析.............................................................................9参考文献...................................................................................................10摘要本文根据湖南省“路桥杯”土木建筑类大学生结构模型创作竞赛规程和使用材料的特点要求，结合现代桥梁结构的特点，借鉴细杆拱桥结构设计概念构思了本结构模型。在造型上，空间上主要采用三角形、梯形等几何元素，注重结构的整体性。在结构设计方面，充分根据木材的力学性能，主要受力构件采用格构式组合构件，利用斜向支撑增加结构空间作用，提高抗侧能力。并通过采用ANSYS有限元软件的空间分析，根据构件的受力情况沿杆件变化，采用了变截面的杆件，充分的利用材料，经过ANSYS的计算表明，结构在设计荷载作用下，均能满足强度、刚度、稳定性要求。关键词：结构模型、设计大赛、模型制作1设计说明书1.1概述对于结构模型，稳定性起着控制作用，包括整体稳定性和局部稳定性，选择合理有效的结构受力体系对结构模型设计有着重要意义。模型设计中，主要应考虑充分利用木材薄片受力性能特点。就本次竞赛而言，关键在于充分利用木材薄片受拉性能好，受压则需要组合成柱的特点，选择优化的结构模型，使结构模型能够接近竞赛规定的最大加载荷载，同时尽可能降低结构的自身重量。本结构模型根据以上思想，进行结构的构思与设计。1.2方案简介本结构整体外型为一个上承式桁架。其造型融入三角形和梯形等美学元素，整体造型简单、受力形式较好，符合本次竞赛的设计理念。结构根据竞赛规程的要求，确定合理跨度和高度以后，以四根斜杆为主要受力构件向下传力，顶部做成一个加载平台。根据各个面内的抗弯刚度要求，灵活选用杆的形式，通过计算得出合理拱轴线的位置，合理布置杆拱的空间角度；再合理布置支撑杆件，用于抵抗荷载传来的水平力分力并减小侧移；并通过ANSYS软件模拟多种荷载情况下的破坏情况，找出结构构件的薄弱环节进行局部加强，使得结构的破坏向强度破坏靠近，从而使本结构模型具有足够的承载能力和优秀的抗侧能力。1.3结构模型及方案特点本结构模型的特点有：（1）、通过结构模型使荷载有效地转化，使得结构的构件基本只受拉或受压，构件基本不受弯或所受弯矩很小（通过ANSYS分析可知，杆件的最大弯矩引起的应力只有最大轴力引起的应力的10%左右）能充分发挥构件的力学性能。模型的主要受力构件为四根传力的斜杆、连接斜杆成拱的拱肋、以及下部受拉的杆件组成。呈两个梯形平面布置，中间用横梁和斜向支撑连接，增加结构的整体性。（2）、斜杆的合理设置。木材薄片轴向受拉力学性能较好，受弯性能低劣，并且做成组合杆件来受弯所需材料较多，故主要利用斜杆把竖向力转化为下部的水平力拉力，利用木材薄条承受水平拉力，尽量避免通过构件直接受弯。经分析表明，同样高度的斜杆，其抗水平力的性能与sin2成正比，45度时为极大值，也即最好的发挥了斜撑作用。本模型在考虑高度和跨度的限制以后，斜杆的与水平面的夹角为尽量接近45度角，充分发挥下部细杆的较高受拉性能。（3）、横向支撑的有效布置，在宽度方向交叉布置了一定数量的斜向支撑，并根据ANSYS的计算结果局部加强，有效的增强了整体的扭转体形，也更有利于创造高效的抗侧力体系。（4）、斜杆采用了由三片薄板组合而成的格构式梁，既增加了面内的抗弯刚度，也增加了杆件发生侧向失稳的概率。同时有效的增加了构件制作时的粘结面，非常适合于本次竞赛模型的制作。1.4应用前景本机构模型与细杆拱桥的形式有很大的相似性，但是直接用于工程实际中还存在一定距离，主要问题是模型主要针对竞赛设计的，只考虑了加载台上的竖向静荷载，没有考虑动载、横向纵向的水平荷载等因素，还需要连接桥面板的细拉索等还需要加设。尽管如此，其设计思想对于实际结构的设计具有重要的意义。由于受力均匀，可充分利用材料；结构也较大，可以设计成大跨度结构；而三片薄板组成的组合杆件是设计上的一种新的尝试，斜撑作用、杆拱结构使得结构侧移很小，以及为腹部提供很大的利用空间。1.5施工流程:锯切木材制作杆件砂纸打磨木材表面制作组合构件拼装梯形结构拼装空间骨架安装斜撑节点处补胶(※)加工局部结构养护加载END1.6施工要点:1)制作组合杆件时应保证横隔板的粘结牢固,避免因横隔板出现脱落使柱局部失稳出现破坏。由于斜向组合杆件是本方案主要受力构件,一旦出现上述问题,将严重影响结构的受力性能。2)拼装梯形结构和结构空间体系时应避免由于杆件的制作误差引起对称位置平面和空间角度不相等，甚至引起整个结构的重心发生偏移，使得在加载时因偏心而侧翻。3)斜向支撑的拼装时应严格控制误差,保证支撑杆与斜杆所成角度相等，并使各支撑间间距相等。4)由于竞赛使用的是502胶水，其干硬速度非常快，所以粘结要先准备好需要粘结的构件，再来粘结，并由多人协调完成。5)后期应注意补强粘结柔弱处，特别是在受水平力的斜杆处增加阻隔板，增强节点强度。2结构方案图2.1结构效果图图2-1三维结构效果图2.2结构俯视图图2-2结构俯视图3设计计算书3.1结构计算模型利用Ansys有限元软件，采用空间杆系模型对结构进行空间分析，结构分析模型如图3-1所示。在Ansys建模时，按以下原则进行：（1）模拟方式：主梁、横联采用Beam44单元，下部拉杆，采用Link10单元，支座为简支，用四个点来模拟，一个点约束三个方向线位移，另外三个点约束竖向线位移。（2）材料特性：按竞赛规程木材的弹性模量取E=16.5Mpa，抗拉强度为80MPa，抗压强度为35MPa。（3）荷载施加：根据竞赛要求，在结构的顶部加载，本计算模型以四个大小相同的力作用在顶部四个节点上，见图3-1。图3-1结构空间分析模型3.2结构强度计算由于结构对称，且在所选定的荷载作用方向上，结构受力相同，故可取结构的一种加载情况进行计算，主要进行拱肋、拉杆和横撑强度计算。3.2.1拱肋强度计算(1)截面几何特性拱肋采用三片141mm薄板以隔板粘合而成，截面面积A＝42mm2,截面惯性矩I＝686mm4截面抵抗矩W=I/Y＝686/7=98mm3。(2)内力拱肋内力见表3-1，弯矩Mz很小，杆件的抗弯强度能满足。表3－1拱肋内力表结点号轴力(N)面内弯矩(Nm)应力（Mpa)27-391.12-0.07-11.91-391.12-0.07-11.927-391.09-0.07-11.924-391.09-0.07-11.924-391.1-0.13-12.833-391.1-0.13-12.833-391.07-0.18-13.330-391.07-0.18-13.330-391.06-0.19-13.639-391.06-0.19-13.639-391.03-0.19-13.536-391.03-0.19-13.536-391.03-0.15-13.044-391.03-0.15-13.03.2.2拉杆强度计算(1)截面几何特性拉杆采用截面为42mm的细条，截面面积A＝8mm2。(2)内力由Ansys有限元软件计算，得杆内拉力约300.6N，应力约37.6MPa同理可得斜撑等的应力分布情况，绘制应力分布图如图3-2。图3-2应力分布图3.3结构稳定分析采用子空间迭代法进行分析，在ANSYS软件中，以1000N的竖向外荷载为基准荷载，通过计算提取前五阶失稳系数，其结果见表3-2。表3-2前5阶失稳系数阶数稳定系数失稳类型失稳图示10.90034整体失稳21.026拱肋扭转失稳31.1719下斜横联失稳41.2267中斜横联失稳51.4026上斜横联失稳最小稳定系数达到0.9，故基本满足设计要求。参考文献[1]FullMoore,UnderstandingStrctures,McGraw-Hill,1999[2]【美】林同炎﹑S·D·思多台斯伯利著，王传志等译，结构概念和体系，中国建筑工业出版社，1985[3]肖新标﹑沈火明﹑叶裕明﹑赵光明，ANSYS7.0实例分析与应用，清华大学出版社，2004。