结构模型计算书

竹制高跷模型的制作及试验方案设计及理论分析

二〇一三年十一月

目录

前言

1.结构选型 (2)

1.1方案构思 (3)

1.2方案比选 (3)

1.3关于构件的一些考虑 (9)

2结构模型及主要计算参数 (13)

2.1结构模型 (13)

2.2主要计算参数 (14)

3.受荷分析 (15)

3.1人体作用分析 (15)

3.2承载力计算 (17)

3.3变形计算 .......................................................... 错误!未定义书签。

前言

在介绍我们结构之前，我们感谢学校和学院给了我们这样一个参赛的机会，为我们提供了一个展现自我的舞台，让我们有锻炼自己动手能力的机会，我们也倍加珍惜这次机会积极参与其中争取取得好成绩。

在此，我们团队经过几周的讨论最终决定以“斜拉筒”为参赛模型，并用粗纸只做了简易模型以便参考。

本计算书是按照竞赛对理论方案的要求严密编排的，完整的包括了结构选型、结构建模以及主要的计算参数、受荷分析、节点构造、模型加工图等主要内容。同时结合我们团队的实际研究过程，本书还增加了一些诸如结构优化、主要受力杆件优化、人体动力学分析等内容，各部分恰当的组合在一起，形成了我们自己独特的见解和实践过程记录。

1.结构选型

1.1方案构思

本次比赛的踩高跷是较传统高跷有相同原理，但又更具创新，考研我们的创新和动手能力，要求参赛队伍用竹材制作一对高跷，由本队队员穿上自制的高跷完成动加载和静加载。

参赛队员需要完成动静加载过程，所以，结构可靠度方面十分重要，其次，由于竹材柔软，抗拉性能和韧性较好，所以我们可以将结构尽可能的设计的既美观又实用。由于个体重量不同，跑动方式的不同，不确定因素也不可避免，但我团队一直致力于减少不确定性，。

简约而不简单的结构：

要体现我们结构的优点，主要从“重量”“结构可靠性”“美观”三个方面着手

➢古代与现代的完美结合

➢人体与力学的

1.2方案比选

方案一

方案构思：考虑到竹材的柔韧性，受到“刀锋战士”的启发，制作了

如图1所示的结构，方案一采用多根竹条粘接在一起，并在外层粘接竹皮箍，来防止构件的层间错动，并且套箍作用，提高了构件的承载力。

模型质量：

方案缺点：但是通过实验证明，方案一不能完成动静载实验，实验时发现，应力集中在中间节点，使之率先破坏，导致结构失效，并且采用多层竹片粘接会使用胶量大幅度增加，无影中增加了模型的质量。故放弃方案一的设计和制作。

图1 柔性提篮高跷

方案二

方案构思：通过方案一的实验，我们认识到有必要采取一种结构牢靠，刚度大的结构，竹材易于加工，可以很容易做出质轻高强的杆件，受到桁架桥的启示，设计了如图2所示的结构，杆件均采用箱形截面，并且等间距的粘接了横隔片，用来提高杆件的抗扭能力。

模型质量：

方案缺点：由于杆件和节点数量较多，制作复杂，并且在绕标中提速较为困难，所以，放弃方案二。

图2 刚性桁架结构

方案三

方案构思：方案二刚性桁架结构中杆件较多，而且杆件受力不明确，所以基于桁架结构设计出了图示三角结构，此种结构受力杆件较少，而且解决了左右摇摆问题，整个模型全部都是有三角形，稳定性较好。

模型质量：

方案缺点：与地面的接触面积较小，不利于选手的行走而且没有从根本上使用竹皮的抗拉性质，所以此种方案放弃。

图3 三角架结构

方案四

方案构思：虽然方案二具有可行性而且模型质量较轻，但考虑到竹皮应该利用其抗拉性质。而且人体行进间的冲击系数较大，所以应该采用缓冲装置，由此想到了设计到中间主要受力杆件为圆柱形，前后左右用轻质杆件固定。圆柱形前后左右稳定性较好，而且具有一定的缓冲作用。从效果来看，圆柱桁架结构稳定性较好，并且在速度上有很大的提高。

模型质量：

方案缺点：模型本身十分笨重，静加载分数较低导致整体得分并不高，所以方案四放弃。

图4 圆柱桁架结构

方案五

方案构思：由方案四可以看出中间主要受力杆件为圆柱型确实有很好的稳定性，为了减轻质量，由此设计出方案五。所用模型只有中间的一个圆柱型受力杆件，并且采用编织方式使圆柱型受力杆件的强度有了很大的提高，并且编制可以不用太多的502胶水，质量可以大幅度减轻。

模型质量：

方案缺点：但是结构的整体稳定性很差，无法解决左右摇摆以及前后摇摆等问题，所以方案五放弃。

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图5 单支圆柱形结构

方案六

方案构思：通过前面五个方案的探索，我们认为，如果单一的选择柔性或刚性结构，对于竹材的性能不能充分发挥，所以对于刚柔并济的理念进行了探索，正如桥梁工程中的斜拉桥，制作了如图6所示的结构，由于竖向杆件在静载时承受绝大部分的荷载，所以需要作出更加高强度的杆件，同时在行走过程中斜向竹条会承受拉力，所以节点处进行了特殊处理。实验证明，方案六能够完成动静载实验，而且在质量和速度方面都有令人满意的结果，同时结构整体受力明确，充分利用了竹皮的抗拉性能，并且两次张拉可以降低主塔杆件长细比，刚度进一步提高，柔性降低。因此有巨大的优化的潜质。

模型质量：

图6 刚柔并济梁索结构

1.3方案进一步优化处理

优化方案一：

方案选取：由方案六实验表明：通过竹皮张拉后，沿板长方向的刚度问题可以完全克服，但沿板宽方向刚度不足，使结构侧向垮塌破坏。因此我们联想到跨海大桥“A”字型索塔结构（如图7），我们设计出如图8模型，使之整体造型简略，张弛有度，受力均匀饱满。同时在竹皮张拉上，采用交叉张拉方案，可以进一步解决在转标是出现的扭转。并且可以解决在板宽方向出现的刚度不足问题。

方案缺点：由于受力面积进一步缩小，使之参赛队员在行走时走路不