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1、摘 要根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和施工方便程度等方面出发，采用230g规格的白卡纸，铅发丝线及白乳胶这三种材料制作成柱桁架结构体系。绘制了模型的结构图、结构整体布置图、节点详图。从结构的整体着眼，设计中充分利用了桁架结构三角形的稳定性；考虑到比赛中模型的加载形式，即两侧分别加载（A）29.4N，（B）9.8N的竖向静荷载和（C）点9.8N的竖向静止荷载，然后在（C）点分三次加载，最大加载载荷48.9N。我们在计算过程中假定材质连续均匀、杆与杆的连接采用铰结、模型本身质量不计，进行受力分析，得出整个结构的内力及变形图，并对结构杆件进行强度及稳定性计算校核。同时，对模型进行了
2、大量的加载实验。通过计算和加载实验，确认该模型能满足强度、刚度及稳定性的要求。一、设计说明书1、方案构思结构形态具有二重性，首先结构形态具有合理的受力特性即理性逻辑，其次在于结构形态具有明确的几何特征即形态逻辑。如果能够做到这两方面的完美结合，不仅能使机械结构表现出优美的形态，而且还能达到最为经济的效果。某著名建筑师曾说过：只有一个造型是最好的，那就是能清楚表现出经济原理的造型。所以我们这次结构的选择均是从塔吊结构的受力特点出发去寻找最合理的形式。1.1结构选型在结构设计中应该合理布置结构构件，使得截面获得相对最大的截面惯性矩，发挥材料的最大受力性能。主要构件受力直接，荷载传递路径明确。我们讨
3、论决定利用空间柱桁架结构体系，充分考虑白卡纸的抗拉压性能强、抗弯剪性能弱的特性，结构利用四根主杆圆杆作为主要结构构件，支撑竖向重力荷载和侧向水平荷载。在各侧立面上用似螺旋向上的斜撑相连,角形杆用M形斜杆支撑。这样使得七根主杆外的所有杠件主要以桁架杠形式出现。在无任何多余装饰元素下，外露桁架杆的交错布置，体现现代建筑简洁、明快的风格，蕴涵一种结构与建筑相结合的“建构美”。1.2特色 为使模型具有较轻质量并充分考铅发丝线能承受较大拉力，我们在A点与结构最高点巧妙的利用组委会提供的铅发丝线给结构施加拉力，并在与杆件连接处用白卡纸做成的小圆柱来连接。此外我们还考虑到铅发丝线具有弹性，受拉时会产生较大的
4、拉伸变形，预应力的发挥就不充分。所以我们决定采用两股铅发丝线来制作，以便更好的体现预应力的作用。 为了防止横梁与底座接触点压溃，我们在接触点设置了如下图图所示的结构，不仅防止了因压力过大而把横梁挤压变形，更加有效的防止了应力集中。 同时在底座的顶部，同时也加了同样的装置，如图所示。节点处我们采用了相贯线链接，我们把砂纸绕在了与要连接的两个圆柱等径的圆柱上，磨出凹槽，大大的增加了接触面积，而且还保证了接触面的平滑，效果图如图所示。1.3制作经验经过我们制作尝试，我们得出了如下经验：胶水的使用很有讲究，必须有一定的流动度，以便很好的涂抹，但不能太稀，否则很难控制粘贴。胶合的时候最好用工具对粘贴面施
5、加一定的压力，这样可以保证粘贴良好，外表也美观。使用胶水的时候最好避免对胶水的揉搓，否则会使胶水发黄变黑影响美观。制作过程我们发现，胶水干后会收缩变形，有点类似钢结构焊接残余应力，导致制作的构件变形，经研究发现可以采取以下两种方法来减少变形：一是构件胶合面尽量设计为对称涂抹；二是在制作完成后用相应的工具进行保护。1.4感想 通过这次塔吊模型结构设计，不仅使我们知识上得到加深和拓宽，还进一步经历了从尝试到有所收获的过程。从最开始的茫然直至希望的出现，我们始终不停地探索和努力。对于结构设计我们追求的目标是：一切从实际出发，用最简单的构造做最稳定的结构，用最少的材料创造最大的可利用空间，用最少的工程
6、量完成具有最实际利用价值的作品！二、方案图 结构设计图 整体正面 主要构件详图：实形图（正视）实形图（侧视）三、计算书（一）模型建立我们根据方案设计书中选择的最终结结构模型，通过理论计算来更加准确地说明我们的结构合理性。以下从几个方面进行说明：1、模型简化我们根据实际比赛结构模型做一定的简化得出计算模型。（1）受力计算组成：主杆+横杆+斜撑（2）模型简化假定材质连续，均匀；杆与杆的连接均视为铰结；结构本身质量不计；加载时，荷载以集中力的形式作用在指定的节点处。（3）模型计算单元竖向主杆结构标高1000mm,采用四层白卡纸制作横杆采用圆形截面，五层白卡纸制作，数量若干；斜撑采用圆形截面，三层白卡
7、纸制作；2、 由模型尺寸计算载荷载荷模拟底座截面图横梁截面图取一根横梁为研究对象 由实体模型尺寸计算载荷及受力情况， （1）A点加载30N：受力如图所示15NFbFa0.1770.146Ma=0 -150.177=-Fb0.146 Fb=-18.2NMb=0 -15(0.146+0.177)+Fa0.146=0 Fa=33.2N所以A杆受压，B杆受拉横梁弯矩图如图所示M（N/m）X-26.55（2）在B点加载10N受力如图所示FaFb15N5N0.1770.1460.427Ma=0 -150.177=Fb0.146-5(0.146+0.427) Fb=1.4NMb=0 -15(0.177+0.
8、146)+0.146Fa=-50.427 Fa=18.6NA，B杆柱均受压（3）C点加载10N，受力如图所示15NFaFb5N 5N0.1770.1460.4270.4Ma=0 -150.177=Fb0.146-5(0.146+0.427)-5（0.146+0.427+0.4） Fb=34.8NMb=0 -15（0.146+0.177）-Fa0146=-50.427-5（0.427+0.4） Fa=98N A杆受拉，B杆受压弯矩图如图所示M（N/m）6.27582.6652.0058X（4）C点加载50N受力如图所示15NFaFb5N30N0.1770.1460.4270.4Ma=0 -150
9、.177=0.146Fb-5(0.427+0.146)-30(0.427+0.4+0.146) Fb=201.4NMb=0 -15(0.177+0.146)-Fa0.146=-50.427-30(0.427+0.4) Fa=151.4NA杆受拉，B杆受压弯矩图如图所示M(N/m)2.66526.94912.0044X综上所述杆受最大拉力151.4N,受最大压力201.N由实验得，内径16mm，外径20mm，七层白卡纸圆柱受最大压力为250N，最大拉力1500N，满足实验要求。 底座受最大弯矩26.949N.m模型简图如图所示30N100N10N60NM=600.9+100.5-300.25=5
10、1.5NM底座等效简图FF1F2F=M/L=51.5/0.5=103N实验得，F最大可加载150N，满足实验要求。3、各材料的参数见表3-1及表3-2 白卡纸参数表 表3-1名称弹性模量E()极限拉/压应力MPa白卡纸300040铅发丝线 表3-2股数123456极限力（）48110168207225232 4、各计算单元的参数见表3-3。 计算单元参数表（单位：mm） 表3-3项 目材料（层数）外径壁厚结构构件主 杆白卡纸（7）23.002.1横杆1白卡纸（5）22.001.9横杆2白卡纸（5）22.001.9横杆3白卡纸（5）22.001.9斜撑白卡纸（3）1.51.0（二）荷载分析该塔吊
11、模型可以看成是支承在地面上的悬臂梁，承受着侧向水平荷载和竖向重力荷载的作用。其重力荷载是由竖向结构体系从上向下一层层地传递累积的。然而，与竖向荷载相比，侧向荷载对结构的效应不是线性的，并非随结构的增高而迅速增大。例如，在所有条件都相同时，在风荷载下，结构基底上的倾覆力矩近似地与结构的高度平方成正比，而结构顶部的侧向变位与其高度的四次方成正比。 以上的分析表明：本次塔吊模型设计中的控制因素主要是竖向力所产生的倾覆力矩和剪切变形。（三）承载能力估算通过简单估算，整个结构在满荷载，竖向荷载A点29.4N, B点9.8N-58.8N，B点变形如图所示。计算结果表明，B点竖向荷载的竖直位移不大于50mm，满足比赛要求。 /
