结构模型设计方案示例1

湖南省“路桥杯”大学生结构模型创作竞赛

中南大学

参赛设计方案说明书

作品名称剑桥

学校名称中南大学

学生姓名专业班级

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指导教师

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二○○六年七月十四日

目录

摘要 (2)

1 设计说明书 (3)

1.1 概述 (3)

1.2 方案简介 (3)

1.3 结构模型及方案特点 (4)

1.4 应用前景 (5)

1.5 施工流程: (5)

1.6 施工要点: (5)

2 结构方案图 (6)

2.1结构效果图 (6)

2.2结构俯视图 (6)

3 设计计算书 (7)

3.1结构计算模型 (7)

3.2结构强度计算 (8)

3.2.1 拱肋强度计算 (8)

3.2.2 拉杆强度计算 (9)

3.3 结构稳定分析 (9)

参考文献 (10)

摘要

本文根据湖南省“路桥杯”土木建筑类大学生结构模型创作竞赛规程和使用材料的特点要求，结合现代桥梁结构的特点，借鉴细杆拱桥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、梯形等几何元素，注重结构的整体性。

在结构设计方面，充分根据木材的力学性能，主要受力构件采用格构式组合构件，利用斜向支撑增加结构空间作用，提高抗侧能力。并通过采用ANSYS有限元软件的空间分析，根据构件的受力情况沿杆件变化，采用了变截面的杆件，充分的利用材料，经过ANSYS 的计算表明，结构在设计荷载作用下，均能满足强度、刚度、稳定性要求。

关键词：结构模型、设计大赛、模型制作

1 设计说明书

1.1 概述

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木材薄片受力性能特点。就本次竞赛而言，关键在于充分利用木材薄片受拉性能好，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荷载，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

本结构整体外型为一个上承式桁架。其造型融入三角形和梯形等美学元素，整体造型简单、受力形式较好，符合本次竞赛的设计理念。

结构根据竞赛规程的要求，确定合理跨度和高度以后，以四根斜杆为主要受力构件向下传力，顶部做成一个加载平台。根据各个面内的抗弯刚度要求，灵活选用杆的形式，通过计算得出合理拱轴线的位置，合理布置杆拱的空间角度；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ANSYS软件模拟多种荷载情况下的破坏情况，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

载能力和优秀的抗侧能力。

1.3 结构模型及方案特点

本结构模型的特点有：

（1）、通过结构模型使荷载有效地转化，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（通过ANSYS分析可知，杆件的最大弯矩引起的应力只有最大轴力引起的应力的10%左右）能充分发挥构件的力学性能。模型的主要受力构件为四根传力的斜杆、连接斜杆成拱的拱肋、以及下部受拉的杆件组成。呈两个梯形平面布置，中间用横梁和斜向支撑连接，增加结构的整体性。

（2）、斜杆的合理设置。木材薄片轴向受拉力学性能较好，受弯性能低劣，并且做成组合杆件来受弯所需材料较多，故主要利用斜杆把竖向力转化为下部的水平力拉力，利用木材薄条承受水平拉力，尽量避免通过构件直接受弯。经分析表明，同样高度的斜杆，其抗水平力的性能与sin2θ成正比，45度时为极大值，也即最好的发挥了斜撑作用。本模型在考虑高度和跨度的限制以后，斜杆的与水平面的夹角θ为尽量接近45度角，充分发挥下部细杆的较高受拉性能。

（3）、横向支撑的有效布置，在宽度方向交叉布置了一定数量的斜向支撑，并根据ANSYS的计算结果局部加强，有效的增强了整体的扭转体形，也更有利于创造高效的抗侧力体系。

（4）、斜杆采用了由三片薄板组合而成的格构式梁，既增加了面内的抗弯刚度，也增加了杆件发生侧向失稳的概率。同时有效的

增加了构件制作时的粘结面，非常适合于本次竞赛模型的制作。1.4 应用前景

本机构模型与细杆拱桥的形式有很大的相似性，但是直接用于工程实际中还存在一定距离，主要问题是模型主要针对竞赛设计的，只考虑了加载台上的竖向静荷载，没有考虑动载、横向纵向的水平荷载等因素，还需要连接桥面板的细拉索等还需要加设。尽管如此，其设计思想对于实际结构的设计具有重要的意义。由于受力均匀，可充分利用材料；结构也较大，可以设计成大跨度结构；而三片薄板组成的组合杆件是设计上的一种新的尝试，斜撑作用、杆拱结构使得结构侧移很小，以及为腹部提供很大的利用空间。

1.5 施工流程:

锯切木材⇨制作杆件⇨砂纸打磨木材表面⇨制作组合构件⇨拼装梯形结构⇨拼装空间骨架⇨安装斜撑⇨节点处补胶(※)⇨加工局部结构⇨养护⇨加载⇨END

1.6 施工要点:

1)制作组合杆件时应保证横隔板的粘结牢固,避免因横隔板出现脱

落使柱局部失稳出现破坏。由于斜向组合杆件是本方案主要受力构件,一旦出现上述问题,将严重影响结构的受力性能。

2)拼装梯形结构和结构空间体系时应避免由于杆件的制作误差引

起对称位置平面和空间角度不相等，甚至引起整个结构的重心发生偏移，使得在加载时因偏心而侧翻。

3)斜向支撑的拼装时应严格控制误差,保证支撑杆与斜杆所成角度

相等，并使各支撑间间距相等。

4)由于竞赛使用的是502胶水，其干硬速度非常快，所以粘结要先

准备好需要粘结的构件，再来粘结，并由多人协调完成。

5)后期应注意补强粘结柔弱处，特别是在受水平力的斜杆处增加阻

隔板，增强节点强度。

2 结构方案图

2.1结构效果图

图2-1三维结构效果图

2.2结构俯视图

图2-2结构俯视图