结构设计大赛计算书

结构设计与模型竞赛

--体育场悬挑屋盖结构

目录

设计说明书

1、方案构思及结构选型 (3)

2、材料性能 (4)

3、结构设计 (5)

4、制作工艺 (6)

5、特色处理 (7)

设计计算书

1、计算方法 (8)

2、结构建模 (8)

3、内力计算结果 (8)

4、有限元参数影响分析 (9)

设计说明书

1方案构思及结构选型

仔细阅读完竞赛细则，我们从模型设计的要求、模型制作材料的性能、加载形式和制作方便程度等方面出发，进行构思设计。

确定设计荷载至少为5kN、考虑到压杆长细比限制、拉杆的抗撕裂能力、纸的受拉性能、制作模具等因素，我们选定了格构形式，格构式构件是由众多杆件组成的梁杆系统，许多文献中对其稳定性分析是通过将格构式构件等效为实腹结构进行计算的，其等效方法是用等效实腹构件的长度代替格构式构件的实际长度。就底座而言，如果能够使格构形式主要受轴力，那么不仅能在结构的稳定性上有足够的保证，对纸制圆柱受压性能的利用也能达到一个较好的效果。

在此基础上，我们联想到了

工地上常见的塔吊，从这种机械

的广泛应用本身就已很好的说

明，对于如细则所述的悬臂，塔

吊式结构的受力机理是很合理

的。如果能在此基础上作改进，相信能有一个较理想的结构形式。

但考虑到塔吊的实际工程运用与这次所要求的悬臂，我们考虑了方形柱与变截面柱两种不同的底柱形式如图：

通过实验的比较，因工艺上存在的缺陷，我们没办法使变截面柱做到各柱基本都是受到轴力，在相同用料的基础上其长细比上比方形柱会差好多。最终我们选定了方形柱。

对上方的悬臂梁，我们参照塔吊进行设计，尽量充分利用卡纸的力学性能。通过实验我们发现当前臂与总长的比接近黄金分割比，顶柱与后臂接近等长的时候整个结构的受力机理较为合理。

2材料性能

白卡纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗压稳定性差。将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，多为压杆失稳状态的受力破坏，可承受一定弯矩。

乳胶的粘接性能：纸带对接时强度约降低50％，纸带侧接时，强度较高，认为与原材强度相同。

表1. 215克白卡纸弹性模量

表2. 215克白卡纸极限应力

表3 空心杆的质量及轴心受压极限承载力

分析结果：

（1）将纸条卷成内径8mm，外径18mm的圆筒，当长800mm时，可承受200N左右的压力。

（2）将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，相同质量的纸杆，越短承载力越大，因此，模型中压杆应尽可能短，而且尽量不受弯矩作用。

（3）用3.6cm宽纸条通过折叠，可承受远大于200N的拉力

3结构设计

3.1 结构尺寸

在确定这个格构尺尺寸的设计时，我们考虑了结构的稳定性、耗材及自重，经过多次修改和Ansys有限元分析软件的粗略计算，我们最终将结构的尺寸定为：柱高60cm、宽10cm，梁长80cm、宽10cm、高9cm，顶柱至梁顶高23cm，纸带总长约150cm。

3.2 主体构造

我们组结构的主体构造模仿了塔吊结

构，通过在细部的优化使悬臂部的力基本

依轴力的方式传到立柱上，用纸带使结构

的受力更加合理，尽量减少上部梁的剪力，

使该结构具有较强的纵横向抗弯刚度和抗扭刚度，整体性好，稳定性高，自重小。在大结构不变的情况下，我们对结构细部进行一定的修改。

3.3 杆件尺寸

桁架结构中，各种杆件的尺寸和用量如下表。

表4. 各构件用纸尺寸表

构件名称宽度（cm）长度（cm）数量

立柱

立柱大杆8 59 4 斜腹杆1 4 12 4 斜腹杆2 3 15 25 横杆1 2 12 26 横杆2 9.8 12 2

梁底部大杆11 80 2 上部大杆8 71.5 1 压腹杆1 3 12 12 压腹杆2 4 12 4

拉腹杆1 2 15 20

拉腹杆2 4 12 4 纸

带纸带 3 150 2

顶柱顶柱1 8 30 2 顶柱2 6 22 1 顶柱3 5 22 1

4 制作工艺

4.1 纸张

应这种结构的受力特点的需

要，我们对不同部位所用的纸张用量

及处理都会有些不同。比如腹杆，其

受力虽小，却不能没有，量又大，我

们就把该部位的纸张撕开，取其中较

好的一部分圈成细杆，还因不同部位受力大小和方式的不同所用的层数也有区别。

4.2杆件

圆形杆件作为模型的基础元件，其制作过程是一个重要的步骤。我们先用铅笔在白卡纸上画出杆件的尺寸，然后用小刀和丁字尺认真切割下来。然后再不同的用纸上做上标记，不同的杆件用不同的杆芯制成。我们用直径为

7mm的螺纹杆和9.5mm的不锈钢管作为杆芯，在纸上层层涂胶，慢慢的搓出密实的圆形杆件，并套着杆芯进行晾干，防止直杆变形。

4.3节点

纸带与杆件的连接，是整个结构相

对来说较弱的部位，纸带的拉起会导致

其在局部受折比较厉害，卡纸在上胶后

都会有抗折差的特点为了保证力能从纸

带上顺利传递至顶柱最终传至底部，也

为了保持结构整体的稳定性，在连接点处必须要进行有效的加固。确保其能安全工作。

我们采用上下表面长短递变各三层的方式加固，不仅稳回而且能相对减少些用料。

5 特色处理

在底柱的顶端与横梁的交点处我

们采用如左图示连接，这种做法不仅可

以粘结有效，还能使上部的力尽可能的

以轴力的方式传到立柱，使整体结构能

够尽可能的稳定。另外在此处的工艺方

面，我们用小刀划开了一个V形小口，