竹皮结构参考手册 第二版

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1、 竹皮结构设计与制作竹皮结构设计与制作 参考手册参考手册 （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

2、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 1 1 目 录 1 材料与工具 2 1.1 材料 2 1.2 工具 3 2 结 构 设 计 方 法 浅 析 4 2 . 1 结 构选 型 4 2 . 2 结 构 分 析 5 3 结构的实际制作 8 3 . 1 制作前 期准备 8 3.2 制作

3、工艺 11 4 构件与结构的优化与创新 15 4.1 构件的优化与创新 15 4.2 结构的优化与创新 20 4 . 3 结 构 的 优 化 设 想 2 6 致 谢 2 6 附录 第十二届结构设计大赛赛题 27 2 1 材料与工具 1.1 材料 1.1.1 竹皮竹皮 有如下三种规格： 1.1.2 502 胶水胶水 （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

4、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1.0x104MPa,抗拉强度60Mpa，抗压强度 20MPa ，泊松比 0.31 3 1.2 工具 砂纸砂纸 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、铅笔橡皮、直尺、铅笔 在竹皮上绘制杆件平面设计图 剪刀、美工刀剪刀、美工刀 切割修剪材料 镊子镊子 用以夹持细小构件，防止胶水粘手 橡胶手套橡胶手套 防护双手（也可以用胶布缠绕指尖） 4 2 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

5、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

6、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= 2010 - 61010 = 2105 Pa I=100.5252+ 1 12 0.510 32=333 mm4 EI =33310-121010=3.3

7、3 Nm2 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 0.6

8、7 ：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。 22.1 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

9、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

10、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

11、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 ：1 8 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 200.94 = 18.8 水平力作用下得分： 结构一 25；结构二 250.944.20/0.87 = 113.4 水平扭矩作用下得分： 结构一 30；结构二 300.941.21

12、/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

13、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 1 0 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

14、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 杆件的结构杆件的结构形式形式（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 1 2 杆件内部肋的形式 实物图 1 3 3.2.2 杆件制作方法 以本次杆件制作为例，具体制作方法如下。 1 杆件外皮杆件外皮 用铅笔绘制外皮轮廓。 通过剪刀或夹板刀沿轮廓线裁断。 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。 1 4 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 杆件内部肋杆件内部肋 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） 。 沿长度方向裁下肋条，