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1、 辽宁工程技术大学结构力学多层结构模型设计与理论方案 教学单位： 辽宁工程技术大学 专 业： 城市地下空间工程 班 级： 城市14-2 组 员： 蔡嘉妮(1409190201) 戴文轩(1409190203) 王梦楠(1409190219) 指导教师： 张建俊 目录目录2一. 设计说明书3 1.1结构体系1.2制作处理1.3设计假定二. 方案图32.1.三视图32.2立体图42.3节点图5三. 计算书63.1材料参数3.2基本假定3.3横梁强度验算3.4柱强度和稳定性验算3.5桁架内力及位移计算四 内力分析4.1内力图4.2承载能力估算五 小结10六参考文献一.设计说明书根据所给模型制作要求以
2、及加载条件等内容，设计内容如下。1.1结构体系根据模型竖向尺寸以及截面尺寸要求，我们选用四根长为1000mm作为框架柱，每个结构层选用四根长为220mm作为横梁，该竖向构件加水平构件定义出了我们模型的基本框架形式。根据加载要求，该模型顶部需要承担10kg的竖向荷载，竖向加载稳定后，要继续进行冲击荷载加载，因此我们采用斜撑，来增加框架结构的平面内以及平面外稳定，提高模型的刚度，减小位移。1.2制作处理根据要求，我们从模型制作材料的抗压特性、抗拉特性和动载加载形式要求等方面出发，结合节省材料、经济美观、承载力强等特点，采用白卡纸材料、白乳胶精心设计制作了结构模型。在结构选型中，我们对各种结构形式进
3、行了比较详尽的理论分析和试验比较，着重分析结构自重和荷载分布，以期达到较大的效率比。具体措施有以下几点：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，符合“强柱弱梁”“强剪弱弯”的抗震要求。针对不同的结构形式，在保证安全可靠的前提下，尽量优化模型、减轻质量，使荷质比达到最大。针对不同的荷载分布，通过大量加载实验，观测模型的加速度和位移，在满足安全的前提下，尽可能提高效率比。所有杆件的计算长度及控制长细比均按压杆考虑，以保证安全。结构体系：我们组采用的是框架支撑结构体系。该体系以纯框架结构为基础，在结构底部布置支撑。该体系静承载力强，整体性好，抗扭刚度大，有较良好的抗震性能，且能
4、较好控制模型质量。该模型外轮廓采用方棱柱体，柱网尺寸：下端220mm*220mm，上端220mm*220mm，塔高 1000mm，高宽比1000/220,模型共四层，第一层340mm，第二层220mm，第三层220mm，第四层220mm。主体部分在满足能承受足够荷载的条件下，为了设计最轻的结构，我们选用了框架结构形式，并试图做到较多的杆件满应力受荷，尽量减少多余杆件。在设计框架的具体形式时，遵循对称均匀、受力明确。传力直接、方便制作的原则。1.3设计假定（1）白卡纸材质连续，均匀；（2）梁、柱、斜杆之间结点为刚结；支座为固定支座。加载时竖直静荷载以集中力的形式作用在顶部指定的节点上。（3）设计
5、时采用钢结构的计算模式； 根据以上假定，通过结构力学求解器建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。 2. 方案图2.1三视图（1）.左视图 （2）.俯视图 （3）主视图 2.2立体图（2.3节点图三.计算书3.1材料参数所用材料为230巴西白卡纸，其力学性质参数如表1和2所示。表1. 230克白卡纸弹性模量名称种类层数弹性模量(MPa) 230克白卡纸156.92148.2表2. 230克白卡纸极限应力名称类型层厚(mm)拉应力（N/mm2）压应力（N/mm2）230克白卡纸0.322.27.03.2.基本假定：（1）横梁和斜撑与柱的连接都视为铰接，结构视为桁架结构。（2）所有杆件视
6、为各向同性弹性体。（3）钢球与轨道摩擦力为零，冲击时间为0.01s。模型计算简图3.3横梁强度验算竖向重物：G=10Kg重物直接作用在顶层两根横梁上，可看成均布荷载，则每根梁上线荷载为：q=(109.8)/2/0.22=222.727N/m跨中最大弯矩：Mmax=ql2/8=222.7270.222/8=1.347Nm横梁截面抵抗矩为：W=(BH2-bh2)/6=(882-662)/6=49.3mm3横梁最大拉应力为：= Mmax/W=1347/49.3=27.32N/mm2 44.0N/mm2该计算结果表明横梁截面强度满足要求。3.4柱强度和稳定性验算四个柱子承担上部荷载，每根柱子分得的荷载
7、为。则柱截面压应力为=N/A=24.5/（82 -62）=0.875N/mm214 N/mm2满足要求。考虑柱子的长细比，柱截面等效半径为横梁作为柱子的侧向支撑点，所以取柱子长度为220mm，则柱子的长细比为：，小于60，可以不考虑压杆稳定问题。3.5桁架内力及位移计算 因所学力学知识所限，我们将动力分析转换为静载荷加载在模型上，来求水平位移。根据加载条件，利用物理能量守恒等原理，我们进行如下计算。铅球下落总动能：水平动能分量：下落后铅球水平速度为：根据碰撞定理：，假定撞击后铅球静止，撞击时间为0.02s，则冲击力为，桁架受力利用结构力学求解器计算桁架内力及位移。位移计算杆端位移值 ( 乘子
8、= 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 ?-转角 u -水平位移 v -竖直位移 ?-转角- 1 0.00000000 0.00000000 0.10000000 -0.20000000 -0.10000000 0.10000000 2 -0.20000000 -0.10000000 -0.05000000 -0.15000000 -0.15000000 -0.05000000 3 -0.15000000 -0.15000000 0.05000000 -0.20000000 -0.20000000 0.05000000 4 -0.20000000 -0.
9、20000000 -0.05000000 -0.15000000 -0.25000000 -0.05000000 5 -0.15000000 -0.25000000 -0.00416667 -0.15000000 -0.25000000 0.00416667 6 -0.15000000 -0.25000000 -0.05000000 -0.20000000 -0.20000000 -0.05000000 7 -0.20000000 -0.20000000 0.05000000 -0.15000000 -0.15000000 0.05000000 8 -0.15000000 -0.1500000
10、0 -0.05000000 -0.20000000 -0.10000000 -0.05000000 9 -0.20000000 -0.10000000 0.10000000 0.00000000 0.00000000 0.10000000 10 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 11 -0.20000000 -0.10000000 0.00000000 -0.20000000 -0.10000000 0.00000000 12 -0.15000000 -0.15000000 0.00000000
11、-0.15000000 -0.15000000 0.00000000 13 -0.20000000 -0.20000000 0.00000000 -0.20000000 -0.20000000 0.00000000 14 -0.15000000 -0.25000000 -0.05000000 -0.20000000 -0.20000000 -0.05000000 15 -0.20000000 -0.20000000 0.05000000 -0.15000000 -0.15000000 0.05000000 16 -0.15000000 -0.15000000 -0.05000000 -0.20000000 -0.10000000 -0.05000000 17 -0.20000000 -0.10000000 0.10000000 0.00000000 0.00000000 0.10000000-内力计算杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力
