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1、“象牙塔”模型设计方案第一届中南地区结构模型大赛目 录1. 设计说明书 4 1.1 概述 4 1.2 方案简介 4 1.3 结构选型 4 1.4 制作流程与制作要点 62. 结构方案图 72.1 结构效果图 72.2 结构俯视图 72.3 结构正立面图 82.4 结构侧立面图 82.5 构件汇总表 83. 设计计算书 9 3.1 计算简图 9 3.2 荷载信息 9 3.3 内力计算结果 104.构件力学性能试验 105.加载方案 11参考文献 12 当框架被放在两个基础上时,建筑便发生了路易士H沙利文1.设计说明书1. 1概述 本次大赛要求的是承受竖向荷载的大跨简支结构,跨度至少为750mm和
2、最大挠度不超过50mm以及自重限制在200g以内而对大跨度的简支结构,竖向荷载对挠度起控制作用,因而选择合理有效的结构体系对提高模型的承载能力和控制挠度有决定性的意义在模型的设计中,要充分利用材料的性能特点,避开材料的本身的缺陷就本次大赛的题目而言,关键在于找到一个材料性质与结构体系设计的结合点,使结构模型在自重尽量轻的同时能承受最大的竖向荷载1. 2方案简介 本结构模型为空间组合结构,融入三角形梯形矩形等简单几何元素,整体结构形式简约明快,美观典雅,而且空间感强烈主体结构以斜压杆为主,顶部加载面为有对角撑杆的矩形,由此形成平顶金字塔型的形体,主要受力的斜杆会聚于加载面斜杆对支座的水平力用加线
3、纸带做的拉杆承担;在主要压杆上包纸拉结,充分利用纸抗拉强度大的特点来防止主要压杆长细比大造成的失稳破坏整个模型双轴对称,结构满足跨度要求而没有多余的构件,造型类似平顶金字塔,轻盈优雅,而且通体洁白,故命名为“象牙塔”1.3结构选型1.3.1结构形式比较研究分析本次大赛的要求和各种空间结构形式,主要采用桁架拱斜拉等结构以及它们之间的组合结构体系此处对各种结构形式的优缺点进行分析,选用针对本次大赛最合适的结构桁架结构斜拉悬索结构均广泛应用于现代大跨度桥梁结构,实际中有很多优秀的例子,本拟用此两种结构,但实际制作过程中发现对纸模型并不合适其一,桁架结构节点多,而且平面结构稳定性不好控制,特别在荷载较
4、大时,容易扭曲;其二,斜拉悬索结构在理论上应该是轻质大跨的首选,但纸杆抗弯能力差,以及棉线的轴向变形太大因此不能采用常规结构的方案没有采用圆拱的原因是圆拱在制作上会破坏纸张本身的刚度,而且手工误差对强度和刚度的影响太大最终采用本方案带拉杆的空间直线“拱”结构体系该结构空间刚度大整体性好,很好地利用了纸张的材料性质,具有自重轻承载能力大,稳定性好,受力明确,挠度小的特点1.3.2结构布置 结构的顶面底面均为矩形,结构的上下面矩形的四个角由四根倾斜压杆连接,另四根内斜杆由底面四个角会聚于顶面的中心,这八根杆为结构的主要受力构件在实验的过程中发现内外压杆在受较大的荷载时生弯曲变形较大,故把内外杆的中
5、部用纸包在一起,有效地防止了压杆失稳破坏底面矩形的四条纸带主要受拉力,为了减轻自重,不用纸筒做拉杆利用纸抗拉能力大而且变形小的优点,避免纸受拉破坏的脆性性质,我们采用纸带内包线的做法,纸和线材料合理有效地组合为拉杆,自重轻,也使结构富于变化1.3.3方案特点本结构模型特点:1.结构形体稳定性好平顶金字塔的造型使结构有很好的稳定性,在加载过程中能有效避免结构倾覆和挠度过大的现象,同时使结构的承载能力得到保证2.材料利用充分合理底面的四边为拉杆采用夹线纸带,合理利用了材料的特点,进一步减轻了结构自重内外压杆中部用纸包在一起,有效的防止了受压杆件的失稳破坏,充分利用纸筒的轴心抗压强度1.4制作流程与
6、制作要点1.4.1制作流程裁纸制作杆件养护拼装支承杆顶面框架拼装骨架安装顶面框架连接底面纸带节点补胶结构养护END1.4.2制作要点1.卷杆的时候应保证纸层间的粘结牢固,避免因出现脱落使杆变软,承载力降低2.杆件的养护问题必须尽量保证杆件在硬化收缩过程中不弯曲或扭曲通过在杆件内插入钢管并利用电吹风在杆两端对吹以保证杆在硬化过程中的铅直电吹风使用时应使结构各部分受热均匀,避免不均匀变形3.节点处理方面,经加载试验发现由于节点粘结不牢使构件受力时脱落,故设计为刚结点,以保证有效传力4.后期养护应注意随时补强薄弱处2. 结构方案图2.1 结构效果图2.2 结构俯视图2.3 结构正立面图2.4 结构侧
7、立面图2.5 构件汇总表表2-1 拉杆表杆编号构件长度(mm)制作长度(mm)宽度(mm)做法数量1375076010纸带包线22427028010纸带包线26815015510纸带包线2表2-2 压杆表杆编号构件长度(mm)制作长度(mm)内径(mm)卷纸层数数量57200210942910111212513593413141516351360974171819204504609943.设计计算书3.1计算简图图3-1 计算简图(圆表示支座)图3-2 单元编号图3.2荷载信息本次加载在结构顶面,为均布荷载,为了便于计算,简化为结点集中力,按照等效的原则,周边的四个结点力设为1,中间结点力则为
8、4图3-3 荷载简图3.3内力计算结果表3-1 内力表1234轴 力2.2750.5952.2750.5955678轴 力-0.7380.102-0.7380.1029101112轴 力-0.318-0.318-0.318-0.31813141516轴 力1.2171.2171.2171.21717181920轴 力1.5771.5771.5771.5773.4 构件设计根据单位荷载作用下的内力值和结构自重要求设计每根杆件,见2.5构件汇总表4.构件力学性能试验试验目的:确定构件的承载能力试验器材:非金属材料试验机试验材料:图纸(A0,168g)白乳胶棉线试 件:纸筒(压杆)纸带(拉杆)试验结
9、果:构件承载力见表4-1表4-1 试验结果编号试件规格承载力(N)宽度(mm)内径(mm)层数长度(mm)拉杆115(加线)275020521022701006102150100压杆13973513801799450450594200230993125175根据实验和单位力作用下的内力计算结果,反算该结构的承载力为600N5.加载方案第一次加载15kg第二次加载20kg第三次加载15kg第四次加载5kg第五次加载5kg 注意事项: 1. 稳定放置结构2. 避免偏心加载3. 加载过程中轻放加载重物参考文献1.龙驭球,包世华,袁驷,等.结构力学教程.北京:高等教育出版社,20032.杨茀康,李家宝.结构力学.北京:高等教育出版社,20033.同济大学,东南大学,天津大学.混凝土结构设计原理(第二版).北京:中国建筑工业出版社,20034.黄呈伟,孙玉萍,于江.钢结构(第二版).重庆:重庆大学出版社,20045.范钦珊,殷雅俊.材料力学.北京:清华大学出版社,2005
