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竹皮结构设计与制作参考手册（第二版）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：邹翼程玉珍王庆曹文邹鹏宇2017年4月1日参考论文：《竹皮结构设计与制作分析》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，依托国家级大学生创新创业训练计划项目（项目名称：木质双塔连体结构优化设计与制作：项目编号：201610425042）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、模型设计和制作技巧进行总结，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。图11目录1材料与工具……………………………………………………………………21.1材料………………………………………………………………………21.2工具………………………………………………………………………32结构设计方法浅析…………………………………………………………42.1结构选型………………………………………………………………42.2结构分析……………………………………………………………53结构的实际制作………………………………………………………………………83.1制作前期准备…………………………………………………………83.2制作工艺………………………………………………………………114构件与结构的优化与创新……………………………………………………154.1构件的优化与创新……………………………………………………154.2结构的优化与创新……………………………………………………204.3结构的优化设想……………………………………………………26致谢……………………………………………………………………………26附录第十二届结构设计大赛赛题…………………………………………………………2721材料与工具1.1材料1.1.1竹皮有如下三种规格：1.1.2502胶水（1）应选择质量较好的胶水。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胶水同铁制品的粘结力弱，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。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0.3131.2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结构设计方法浅析设计模型前应对赛题有充分的了解，包括所使用材料的力学性能（如竹皮的顺纹抗拉强度优越），模型的加载方式及其比赛得分算法（重要）。2.1结构选型结构采用竹皮作为材料，结点粘接较为牢固，且在实际制作中结点可加强处理，因而结点可视为刚结点。赛题要求该结构具有一定竖向承载力的同时具有较大的抗侧刚度，下面以结构的抗侧力构件为例，阐述结构选型过程中计算机辅助设计的方法。选择满足赛题要求的抗侧力构件如图2所示，分别为纯矩形刚架、三角刚架及内部设置斜杆的矩形刚架。图2结构抗侧力构件2.1.1抗侧力构件的定性分析纯矩形刚架其侧向位移主要源于竖杆的弯曲变形，其内部无抗侧力杆件，虽然节省材料但抗侧刚度较小。三角刚架其侧向位移主要源于斜杆的拉压变形，能节省材料的同时抗侧刚度较大。内部设置斜杆的矩形刚架其侧向位移来源主要是斜杆的拉压变形及竖杆的弯曲变形，其抗侧刚度同样较大，但所需材料较多。2.1.2抗侧力构件的定量分析假定杆件截面如图3所示，通过结构力学求解器简要分析满足赛题要求的结构抗侧构件，分析数据如图4。可通过指定点的位移大小及构件质量（正比于杆件长度总和）进行抗侧构件合理性的定量判断。求解器所需的截面力学性能参数计算：EA=20×10-6×1010=2×105PaI=10×0.5×2×52+112×0.5×103×2=333mm4EI=333×10-12×1010=3.33N·m2图3假定杆件截面图5三种抗侧力构件的质量比（构件长度比）：1400:1120:2040=1.25:1:1.82在单位力下顶点的水平位移比值为：74.9:3.28:2.17=22.8:1:0.67可以看出，纯矩形刚架虽然质量较小，但由于荷载条件下其水平位移大，抗侧刚度远小于其它两种抗侧力构件，因而首先进行淘汰。再来定量比较三角刚架和内部设置斜杆的矩形刚架，由于模型加载的最终得分同模型的质量和测量点发生的位移之积成反比。则估算采用三角刚架与采用内部设置斜杆的矩形刚架做为抗侧力构件时模型得分之比为：1.82×0.67：1×1=1.22:1因而选择三角刚架作为模型的抗侧力构件图4抗侧力构件分析图时模型的得分可能更高。2.2结构的分析模型的抗侧力构件确定后进一步进行模型结构的分析：选取图5所示的结构进行比较。2..2.1结构的定性分析竖向荷载加载分析:结构一竖向承重构件跨度较小，采用连续梁来承受竖向荷载，不仅有效减小了跨中弯矩的大小，还使横梁受力更为均匀。该结构具有一定的竖向抗弯刚度。结构二竖向承重构件跨度较大，采用组合结构来承受竖向荷载，极大地增加了结构的竖向抗弯刚度，且结构受力更为均匀。水平荷载加载分析:结构一的抗侧力构件为与水平荷载平行的内部设斜杆的矩形刚架，但由于赛题限制，该结构第一层有一部分不能设置斜杆，因而在该平面内的抗侧刚度显著降低。而结构二的抗侧力构件除了与水平荷载平行的三角刚架外，还有与水平荷载垂直的三角刚架,其抗侧刚度远大于结构一。6另外，结构二抗侧力构件设置的竖杆数量为结构一的两倍，而结构一内部设置较多斜杆，虽然无法定性判断结构一与结构二的质量大小，但根据结构二优越的竖向抗弯刚度和抗侧刚度可认为结构二更为合理。图5.1模型结构一示意图图5.2模型结构二示意图2.2.2结构的定量分析分析方法:借助CAD3D辅助设计快速完成模型单一杆件的创建，并进行抽壳处理，使杆件形式同实际杆件相切合。然后采用布尔运算将模型合成整体后删去多余的线面，形成sat文件。再导入ANSYS内，在模型上施加符合赛题要求的荷载，采用具有20节点的solid95单元求解。求解后，通过模型的受力变形可以预测模型的位移，通过模型的体积比可以预测结构的质量比，以此来定量衡量模型的优越。需要注意的是：建模过程中模型结点处应连续无突变，以避免智能划分网格过密，导致求解困难。另外由于ANSYS本身没有单位设置，CAD导出的模型尺寸默认单位一般为mm，应注意单位之间的换算。分析数据:结构的分析数据如图6。强度校核采用第四强度理论显示应力云图。从中可以看出，结构一在竖向荷载下最大应力较大，高达55MPa，接近竹皮材料的极限抗拉强度60MPa。说明其竖向承重构件设置不合理。结构二最大应力均不超过23MPa，能满足强度要求。7图6结构分析数据图模型得分比较结构一与结构二的质量等于其体积比。质量比为：268492:285933=0.94：18假定通过不同加载要求的最轻模型重量一致，通过位移及质量计算模型的得分比：竖向荷载作用下得分：结构一20；结构二20×0.94=18.8水平力作用下得分：结构一25；结构二25×0.94×4.20/0.87=113.4水平扭矩作用下得分：结构一30；结构二30×0.94×1.21/0.61=56.0结构一总分：20+25+30=75结构二总分：18.8+113.4+56.0=188.2模型得分比：结构一：结构二=75：188.2=1：2.51从模型的可能得分上看，结构二明显优于结构一，因此选择结构二作为模型结构的最终形式。3结构的实际制作3.1制作前期准备确定模型的结构形式后就可以开始模型的实际制作。如图7，通过CAD3D建模导出模型的三视图及轴测图，以对模型的外轮廓产生直观印象。另外，通过单一杆件的放样可提取杆件的外轮廓尺寸并在平面内进行展开，得到杆件的平面设计图9。图9中总共有12类杆件，各个杆件所处的位置和所需的数量可通过模型轴侧图及杆件平面设计图参照得出。这种通过放样制作杆件的方法保证了杆件制作的精确尺寸，在制作异型结构模型时，解决了模型结构复杂时所需面对的制作工艺繁杂的难题，为优良的结构设计的实际制作提供了保障。另外，制作完成的杆件基本上无需打磨就能完成结构的装配，在避免了装配应力的产生的同时，极大地加快了模型的制作速度，提高了模型制作的质量。9图7结构三视图及轴测图图8通过放样制作的杆件及拼装的结构10图9杆件平面设计图注：平面设计图中绿色、黄色、青色与蓝色部分为杆件的四面竹皮，红色部分为需要裁剪掉的竹皮。另外，为防止加载过程中杆件由于加载处局部压应力过大而损坏，杆件内部进行了局部加肋处理。3.2制作工艺3.2.1杆件的结构形式杆件的结构形式（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。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12杆件内部肋的形式实物图133.2.2杆件制作方法以本次杆件制作为例，具体制作方法如下。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。14④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。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。153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。163.2.3模型的整体拼装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精良的杆件。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。拼接时下部可铺设胶带一层，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。17②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模型的整体拼装将杆件的定位标记画在最薄的竹皮纸上，待模型粘接完毕后拆下即可。结构拼接时需要多人协同合作完成。精确定位每根杆件的位置，避免在拼接时产生不必要的装配应力，影响结构受力性能。183.2.4模型的结点处理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胶水的强度高于竹皮强度，这样做可以加强结点的连接。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。194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较