河南第三届结构设计大赛_参赛方案说明书

“中天杯”河南省第三届结构模型设计大赛

计算书

代表队名称：海岸星战队

学校：

队员：

指导教师：

编号：

“中天杯”河南省第三届结构模型设计大赛

计算书

代表队名称：海岸星战队

编号：

目录

摘要 (1)

1 设计说明书 (2)

1.1 方案构思 (2)

1.2 方案简介 (2)

1.3 结构模型方案特点 (3)

2 方案图 (4)

2.1 结构整体布置图 (4)

2.2 主要构件详图 (4)

2.3 方案效果图 (5)

3 计算书 (6)

3.1结构选型 (6)

3.1.1 概述 (6)

3.1.2 方案选型 (6)

3.1.3结构选型 (7)

3.2 结构建模及主要计算参数 (8)

3.2.1 分析假定 (8)

3.2.2 材料参数 (8)

3.2.3荷质比估算 (9)

3.2.4模型位移分析及杆件分析 (9)

4 制作说明 (10)

4.1 制作流程 (10)

4.2 制作要点 (10)

4.3 节点构造 (10)

致谢 (12)

参考文献 (13)

摘要

本说明书按照“中天杯”河南省第三届大学生结构模型设计大赛题目中指定的使用材料和要求，结合现行结构及国内外相关比赛模型的特点，借鉴框架杆系结构设计概念构思了本结构模型。

在造型上，空间上主要采用三角形几何元素，注重结构的整体性和稳定性，满足结构大赛大跨度屋盖空间设计要求，平面荷载通过杆件进行传递。

在结构设计方面，充分考虑白卡纸抗拉的力学性能，采用格构式组合构件受压特性，利用对角支撑增加结构空间作用，提高抗侧倾斜能力。

在计算方面，采用有限元MIDAS软件建模并进行分析，根据构件的受力情况沿各杆件变化，充分考虑结构杆件特性，经过计算表明，模型在设计荷载作用下，均能满足强度、刚度、稳定性要求。

关键词：结构设计模型大跨度模型大赛屋盖结构

1 设计说明书

1.1 方案构思

对于结构模型，稳定性起着控制作用，包括整体稳定性和局部稳定性，选择合理有效的结构受力体系对结构模型设计有着重要意义。

模型设计中，主要应考虑充分利用白卡纸受力性能特点。就本次竞赛而言，关键在于充分利用白卡纸受拉性能好，受压则需要组合成柱的特点，选择优化的结构模型，使结构模型能够接近竞赛规定的最大加载载荷，同时尽可能降低结构的自身重量。

本结构模型根据以上思想，进行结构的构思与设计。

1.2 方案简介

结构模型根据竞赛规程的要求，满足空间要求，以四个三角形为主要受压构件向下传给对角线纸带，四个受力节点在屋盖平面上。为加强其稳定性将四个三角形采用一根整杆，在三角形顶点处两两刚性连接并在上部正方形加载平面处采用对角线横杆来增加其整体稳定性，同时在加载中适当的加些纸带防止受扭，在满足内部空间的要求情况下，增大模型的稳定性，同时抵抗一部分加载过程中受扭产生的一个力。根据各个面内的抗弯刚度要求，灵活选用杆的形式，通过对于不同模型高度杆件计算得出合理高度；再合理布置支撑杆件，用于抵抗荷载传来的水平力分力并减小侧移；并通过MIDAS软件模拟均布荷载下的破坏情况，找出结构构件的薄弱环节

进行局部加强，使得结构的破坏向强度破坏靠近，从而使本结构模型具有足够的承载能力和较好的抗侧能力。

1.3 结构模型方案特点

（1）通过结构模型使荷载有效地传递，使得结构的构件基本只受拉或受压，构件基本不受弯或所受弯矩很小，能充分发挥构件的力学性能。模型的主要受力构件为四个三角形、下部对角线的纸带。主框架的四个三角形的节点通过绳子以及纸带进行连接，增加结构的整体性。

（2）白卡纸轴向受拉力学性能较好，受弯性能低劣，如若做成组合杆件来承受抗弯性能势必所需材料较多，故主要利用倾斜的三角形把竖向力转化为下部的水平力拉力，利用白卡纸承受水平拉力，尽量避免通过构件直接受弯，为了防止加载中扭曲变形，上部正方形对角线增加两根细柱。

（3）根据计算及实验情况，对于受压杆件：主杆用直径8mm 的，次要受力杆件用直径6mm，不同直径杆件搭配使用，材料利用非常充分。

2 方案图

2.1 结构整体布置图

结构整体布置见图1。主框架4根直杆折成的直径为8mm的三角形；上部正方形对角线水平杆直径为6mm；底部对角线纸带宽20mm。

图1 结构整体布置

2.2 主要构件详图

主要构件包括纸带、丝线、杆件，见图2所示。

（a）纸带

（b）杆件

图2 主要杆件图

2.3 方案效果图

基于以上理由与分析，最终我们确立的方案效果如图3所示。

图3 方案效果图

3 计算书

3.1结构选型

3.1.1 概述

本次结构设计竞赛题为采用白卡纸、白乳胶和丝线作为主要材料，制作一纸质结构模型，并且模型为大跨度空间屋盖结构，并模拟实际荷载状态进行加载测试。考虑到材料及结构形式，设计出来的结构模型必须是一个在满足竞赛要求的前提下，运用空间结构的构造方法和结构力学、材料力学等相关力学知识所设计出的材料消耗最少、同时结构强度和刚度能够满足竞赛要求的结构模型。

3.1.2 方案选型

（1）力学

结构承受的竖向静力荷载主要由四个三角形结点承担，最终传给三角形的两边。理想状态下斜边越粗承载能力越大，但考虑到模型的制作工艺、整体稳定性等特点，斜杆粗细应选取最优值。

由于赛题所选材料为白卡纸，所以模型的结点不可作为钢结点，考虑到模型的稳定性，我们采取了在上部正方形对角线加细柱的方法。这样增加了模型的刚度和稳定性，模型的整体性也非常好。（2）美学

从古至今，土木工程的发展都与美学紧密结合，尤其是结构方面与美的结合。作为结构模型的承重体系，可以是柱、拉杆，丝线