建筑大学第五届结构塔吊模型设计大赛设计说明书

沈阳建筑大学土木工程学院第五届结构
模型设计大赛
方案设计
作品名称
所属院系土
专业班级土木
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联系电话150
二○一○年五月十三日
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150g规格的牛皮纸，蜡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和不大于(B)58.8N的竖向静荷载和（B）点前后面19.6N的水平静止荷载。

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。

我们讨论决定利用空间柱——桁架结构体系，充分考虑牛皮纸的抗拉压性能强、抗弯剪性能弱的特性，结构利用四根主杆三根角形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虑蜡线能承受较大拉力，我们在A点与结构最高点巧妙的利用组委会提供的蜡线给结构施加拉力，并在与杆件连接处用牛皮纸做成的小扁块来连接。

此外我们还考虑到蜡线具有弹性，受拉时会产生较大的拉伸变形，预应力的发挥就不充分。

所以我们决定采用两股腊线来制作，以便更好的体现预应力的作用。

在模型A点一面采用倾斜（加大加宽）结构，使其在不承受荷载的时候，模型抗倾覆能力加强，增强结构在自身稳定性。

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
左侧面 右侧面 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
①材质连续，均匀；
②杆与杆的连接均视为铰结；
③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,采用四层牛皮纸制作
横杆——采用圆形截面，二、三和四层牛皮纸制作，数量若干；
斜撑——采用圆形截面，四层牛皮纸制作；
2、荷载模拟
竖向静载：两端加载，A点荷载29.4N, B点荷载9.8N-58.8N；
水平静载：在B点前后两端任意取一个水平方向加载，荷载大小19.6N。

3、各材料的参数见表3-1及表3-2
牛皮纸参数表表3-1
腊线表3-2
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
（二）荷载分析
该塔吊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点横向荷载19.6N作用，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80mm，满足比赛要求。