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竹皮结构设计与制作参考手册学校：中国石油大学（华东）专业：土木工程系指导老师：杨文东编制人员：程玉珍王庆曹文邹翼邹鹏宇2016年4月13日前言为了快速提高参赛选手在大学生结构设计竞赛上的竞争力，由我校参加华东地区第十二届大学生结构设计竞赛的指导老师和比赛选手组成编写小组，编制了《竹皮结构设计与制作参考手册》。在编制过程中，总结了华东地区第十二届大学生结构设计竞赛的比赛经验及模型的制作技巧。本参考手册只是初步对杆件性能和模型制作技巧进行总结，还有大量的后续工作仍待今后的参赛选手和老师进行补充与修订。竞赛模型为木质双塔连体结构，采用竹皮材料制作，模型由主塔楼和连廊共同组成，模型制作完成后，与木质底板固定，木质底板采用夹具固定于加载台上进行加载。图1为连体结构模型示意图。赛题具体要求见附录一。图11目录1材料与工具……………………………………………………………………21.1材料………………………………………………………………………21.2工具………………………………………………………………………32结构设计与制作准备…………………………………………………………42.1结构设计…………………………………………………………………42.2结构制作准备……………………………………………………………53制作工艺………………………………………………………………………73.1杆件的结构形式…………………………………………………………73.2杆件制作法………………………………………………………………93.3模型的整体拼装………………………………………………………123.4模型结点的处理………………………………………………………144构件与结构的优化与创新……………………………………………………154.1构件的优化与创新……………………………………………………154.2模型的优化与创新……………………………………………………205模型实物与加载数据…………………………………………………………245.1模型加载数据…………………………………………………………245.2模型的优化设想……………………………………………………….24附录第十二届结构设计大赛赛题…………………………………………2521材料与工具1.1材料1.1.1竹皮有如下三种规格：竹材规格款式1250x430x0.50mm本色侧压双层复压竹皮1250x430x0.35mm本色侧压双层复压竹皮1250x430x0.20mm本色侧压双层复压竹皮力学性能参考值：弹性模量1.0x10^4MPa,抗拉强度60Mpa，抗压强度20MPa，泊松比0.311.1.2502胶水（1）应选择好用的胶水。502胶水的质量参差不齐，选择一种能瞬粘且粘性强的胶水对模型制作有很大的帮助。（2）502对铁制品的粘性不强，在制作杆件时，可在下方铺铁皮或其它铁制品，以防杆件与桌面粘接及桌子的损坏。31.2工具砂纸打磨杆件端部，获得所需要的杆件精确尺寸打磨结构节点处接触面以增加接触面积橡皮、直尺、铅笔在竹皮上绘制杆件平面设计图剪刀、美工刀切割修剪材料镊子用以夹持细小构件，防止胶水粘手橡胶手套防护双手（也可以用胶布缠绕指尖）42结构设计与制作准备2.1结构设计2.1.1制作前期知识准备在着手制作模型前应对题目有充分的了解，包括所使用材料的力学性能（如竹皮的抗拉强度优越），模型的加载方式及其分数算法（重要）。2.1.2有限元软件受力模拟通过力学常识建立较合理的结构模型。利用软件模拟加载对比，选出最优的结构形式。受力合理的结构能更好的承受荷载，在保证模型结构质量较小的情况下有较小的加载位移。这一步将决定结构的最终受力形态，至关重要。根据计算机模拟的结果，构思出最终的模型结构形式。如上图所示，模拟时将竹皮看做各向同性的弹性材料，空心杆件改为实心杆件。故结构的位移同荷载成正比，对结构施加赛题要求的荷载，通过质量（即体积）及位移结果可看出后一个模型更优越。竖向荷载下位移：水平力偶下位移：水平荷载下位移：2.95×10-6m4.28×10-6m1.96×10-6m5.60×10-7m5.53×10-7m5.43×10-7m模型体积：1876095.2mm3模型体积：1475555.5mm3竖向荷载下位移52.2制作准备2.2.1CAD3D建模辅助设计确定模型的结构形式后。可用CAD3D建模绘出其效果图，然后通过量取杆件的尺寸得出杆件平面设计图（对于异形杆件尤为重要），方便杆件的制作与安装。模型效果图6模型平面示意图73制作工艺3.1杆件的结构形式3.1.1杆件的结构形式（借鉴钢结构，未实测）了解各种杆件截面形式的优缺点，选择合适的截面形式。3.1.2本次模型的杆件结构形式本次模型选用内部加肋的杆件形式，杆件效果图及内部肋的图片如下。杆件效果图8杆件内部肋的形式实物图93.2杆件制作方法以本次杆件制作为例，具体制作方法如下。3.2.1杆件外皮①用铅笔绘制外皮轮廓。②通过剪刀或夹板刀沿轮廓线裁断。③由于竹皮质地粗糙，将裁剪完的竹条用砂纸打磨，打去竹皮的毛边，这样便于502胶的粘合。10④轻轻划过外皮四个面之间的缝隙，沿划过的痕迹轻轻折起外皮，方便杆件粘合。但不要完全裁断，以保留部分强度，防止杆件受力时外皮之间崩开。3.2.2杆件内部肋①画出要制作肋的形状，沿肋的宽度方向轻轻刻划，不需刻断（方便折叠）。②沿长度方向裁下肋条，并将肋按照最后形状折好，待用。113.2.3杆件的粘接①粘接时借助镊子摆好肋后即可滴胶，注意胶水用量切勿过多，以防增加杆件不必要的重量。②为增加节点处的接触面积，增加杆件的强度，可在杆件端部加一横隔。123.3模型的整体拼装3.3.1杆件的准备确定所有类型杆件的根数及制作质量无误后，即可开始模型整体拼装。建议制备杆件时，可多做几根同类型的杆件备用，拼接模型时可以选用作精良的杆件。3.3.2基本构件的拼接①先将基本构件所需拼接的位置用铅笔标记，后拼接。拼接时下部设透明胶或报纸，防止构件与桌子相连。且拼接杆件时注意根据内部肋的方向及杆件的受力形式确定杆件的放置方式。13②拼接中不易粘合的结点可加竹皮，增加接触面以加大节点强度。3.3.3模型的框架拼装将杆件的定位画于最薄的竹皮纸上，待模型粘接完毕后拆下即可。结构模型做的成功与否，决定于两、柱构件能否保持原有笔直程度形成整体框架，组装后能否形成整体共同工作。143.4模型的结点处理3.4.1模型结点缝隙的填塞杆件的尺寸同设计要求难免存在误差，所以杆件的连接处也难免存在缝隙，这时将缝隙用竹皮填满，滴上502胶水即可。由于502胶水的强度甚至高于竹皮强度，这样的做法并不削弱结点的连接。3.4.2模型结点的加强有时模型结点受力较大且受力复杂，为防止节点的破坏，可于节点处进行加强处理。154构件与结构的的优化与创新4.1构件的优化与创新4.1.1杆件的研究说明①杆件的受弯性能模型加载中，竖向荷载下主梁的受弯承载力需达到要求，另外，水平荷载下结构的位移量与柱的抗弯刚度也密切相关，因此主要研究杆件的受弯性能。②杆件的尺寸预计承受竖向荷载主梁的长度为400mm,所以杆件的研究长度一律取400mm，杆件两端各取20mm固定在桌子上，通过502粘接牢固，视作固定端（实际加载中杆端竹皮会同桌面分离，杆端截面仍会转动），有利于跨中弯矩的降低，且与实际模型中主梁受力切合。且由于杆件内部构造方式繁多，只研究内部加肋的杆件形式。杆件照片16③杆件的质量模型的计分方法同模型质量有关，模型越重，计分越低，因此主要研究杆件的承载力与质量关系。记录杆件质量后，于杆件跨中加集中荷载，测量杆件的受弯承载力及相应荷载下的跨中挠度。4.1.2杆件的承载力及变形研究①杆件内部肋的密度较稀疏时，取不同截面尺寸的杆件研究。②将杆件内部肋的密度加大，研究肋的密度对杆件承载力的影响。还研究了工字钢杆件性能。肋较密集的杆件加载图片工字钢杆件加载图片17加载数据记录表①边长/mm杆件编号质量/g跨中受集中力6.3N，跨中挠度/mm杆件承载力/N（杆件拉断或跨中挠度超过10mm）平均质量/g平均跨中挠度/mm杆件平均承载力/N跨中弯矩计算值N-mm0.7×0.7（三面）13.74.87615.533.658.7329.395187.923.58.0339.4533.912.8326.343.59.1876.30.7×0.754.66.9512.64.884.112.625265.23.69515.7574.93.3212.6853.4512.694.73.0859.450.9×0.9（三面）104.83.3959.454.9756.6239.4675189.35115.23.09515.82124.9106.3135106.30.9×0.9146.52.90515.826.352.0314.21284.2156.42.6059.45166.41.3122.12176.11.39.451.1×1.1（五面）188.21.0522.128.151.40625.185503.7198.11.76228.251.1×1,1207.80.54312.57.551.90315.65313217.32.9112.5227.41.76212.5237.72.39525.11.3×1.3（五面）2411.70.4337.7511.2670.56236.657332511.60.59547.22610.50.661251.3×1.3279.90.8622.279.620.86925.83516.6289.61.1222.27299.60.9412.75309.60.69740.07319.40.7331.7918加载数据表②边长/mm跨中承载1.275N集中力位移/mm承载1.275N力时位移均值/mm跨中承载2.550N集中力位移/mm承载2.550N力时位移均值/mm跨中承载3.825N集中力位移/mm承载3.825N力时位移均值/mm跨中承载力/N跨中承载力均值/N杆件质量/g杆件质量均值/g15×15（方形）跨中1/3处加箍1.9381.1522.9882.1705.2383.61741.446.811.812.420.8701.850——57.3612.71.3302.480——37.5121.1202.460——37.512.80.5001.0701.99560.312.815×15（方形）不加箍0.8200.8451.9052.065——3.74435.0745.210.811.160.6701.9055.14047.8111.10.8721.7453.34050.8511.50.9822.0102.75154.1911.40.8802.760——38.241115×10（矩形）跨中1/3处加箍0.8680.8501.7802.0082.9004.42044.6138.910.49.620.7402.050——38.259.10.9101.820——38.259.70.6001.770——31.8101.1302.6205.94041.48.915×15（矩形）不加箍0.9800.8512.0302.140————38.2539.08.68.70——————————1.0002.100——38.258.50.7202.770——41.448.70.7051.660——38.25915×15工字钢2.0000.7012.5301.1223.0001.70863.7458.016.716.900.3500.7101.08054.1517.50.5150.9151.5255116.70.2900.6501.5955116.40.3490.8051.34070.1117.2194.1.3杆件研究结论①当杆件肋的密度一定时，对于四面均有竹皮包裹的杆件（包括工字钢型杆件），跨中承载力与杆件质量（边长）成一次关系，可通过该关系近似估算所做杆件的承载能力。②当肋的密度较稀疏时，三面杆件，四面杆件同五面杆件相比，承载力值与质量值之比最高的是受压侧