結構模型計算書3

1、2014年湖北省大學生結構設計競賽靜荷載作用下拱結構模型設計計 算 書學校名稱： 華中科技大學作品名稱： 單飛虹影參賽人員： 陳安定 黃炎 陳祥磊指導老師： 熊世樹 廖紹懷目錄1概 述- 3 -2材料性能- 3 -2.1繪圖紙-3 -2.2白乳膠- 3 -3結構方案- 4 -3.1結構選型- 4 -3.2 結構制作- 6 -3.2.1 構件選型- 6 -3.2.2 節(jié)點構造- 6 -3.2.3 模型制作工藝- 8 -4結構計算- 10 -4.1 計算模型-10-4.2 豎向荷載下受力分析- 11 -5承載力驗算- 13 -5.1柱承載力驗算- 13 -6總結- 15 -22014年湖北省大學生

2、結構設計競賽單飛虹影模型計算書1概 述 結構在施工過程中的受力狀態(tài)與結構在施工完成后正常使用過程中的受力狀態(tài)是不完全一樣的，甚至差異會比較大。有些情況下，設計人員只針對后者進行相應的設計，前者被一定程度的忽視了，從而造成事故，或者事故隱患。因此結構在施工過程中的狀態(tài)及其響應必須得到工程師的重視，要求施工過程安全可控，建成后的結構內力和線型分布滿足設計，同時也提倡設計時盡量考慮可能的施工過程影響。 本屆結構設計競賽賽題以體現(xiàn)結構的施工過程為宗旨，希望通過結構模型的設計、制作與荷載試驗，了解結構在施工過程的受力特點和破壞特點，探求提高結構施工安全性能的措施。2材料性能2.1繪圖紙本次比賽的繪圖紙只

3、有一種規(guī)格，即模型材料為1開(787mm*1092mm)80克規(guī)格的白紙。2.2白乳膠白乳膠的品種較多，最主要的是使用時的濃度問題，太稀，內含水分太多，凝固時間太長，太稠，粘結不牢，都不可取。因此，在使用之前應該做一定量的試驗品來校準使用量。白乳膠如圖2-1所示。 圖2-13結構方案3.1結構選型在進行模型結構選型之前，我們提出了多種方案，并制作出對應的試驗品進行加載，驗證自己的猜想。每個模型都有不同的優(yōu)缺點，我們必須經過一定的計算以及考慮制作工藝的可行性后才能進行判斷，進而選擇出最優(yōu)的模型。由于賽題中尺寸的相關限制，我們的模型基本上都是從拱結構上進行改造。1、拱主拱結構拱的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：1

4、.跨越能力較大； 2.外形美觀； 3.構造較簡單。缺點：1.自重較大，相應的水平推力也較大，增加的下部結構的工作量，對 下部條件的要求較高； 2.由于拱橋水平推力較大，在連續(xù)多孔的大跨結構中，為防止破壞而 需采用較復雜的措施。2、拱斜撐結構 該結構在主拱的基礎上增加了每拱之間的斜撐，較大程度上提高了結構的整體剛度以及承載能力。但是，該結構對制作工藝的要求較高，尤其是斜撐與主拱相交的結點處。如果該結點處的制作出現(xiàn)錯誤，便很有可能引起加載過程中的結構破壞。3、拱撐桿結構在平行的兩拱之間增加水平撐桿，爭強結構的穩(wěn)定性，防止結構在荷載的作用下發(fā)生水平變形。撐桿不是主要的受力構件，只需要很薄很輕的短圓桿

5、即可很好的固定結構。4、 拱拉條結構 當拱在下面受到荷載時，通過拉條將荷載傳到主拱上，當拉條對稱布置時，拱的受力就會對稱。 根據上述四種結構形式的分析，采用拱拉條斜撐結構作為本次結構形式。結構效果圖及相應尺寸如圖3-1，3-3所示：圖3-1 結構效果圖拱線型圖如圖3-2如圖3-2圖3-3結構尺寸示意圖長度寬度直徑數(shù)量主拱270450710橫梁18015046斜撐300150510拉條1350612 圖 3-3 結構構件說明3.2 結構制作3.2.1 構件選型1）圓截面 考慮到繪圖紙紙質軟，該模型的柱子采用多層卷粘的圓型柱。試驗表明這種 做法受力性能與計算符合得很好。2）拉條拉條的主要作用是防止

6、結構側向失穩(wěn)，考慮到紙張厚度過小，尺寸需要加強，總共疊4層即可。如圖3-4所示。圖3-5 拉條示意圖（4層）3.2.2 節(jié)點構造（1）單拱節(jié)點由于本次結構為大跨結構，而構件的長度受到了限制，過長極容易導致結構失穩(wěn)，所以我們的一拱用5跟圓柱鏈接而成。故我們在兩個桿件之間采用了如下形式的節(jié)點處理方法。如圖3-6所示。 圖3-6 單拱節(jié)點詳圖（2）主桿與橫梁節(jié)點考慮結構的側向穩(wěn)定性，主桿與橫梁采用圖3-7所示節(jié)點連接方式。 圖3-7主桿與橫梁節(jié)點詳圖 （3）長拉條與主拱節(jié)點 拉條用于承擔直接荷載作用，與主拱低端相連，節(jié)點采用圖 3-8 所示節(jié)點連接方式。 圖3-8長拉條與主拱節(jié)點詳圖3.2.3 模型

7、制作工藝制作流程：基本構件制作（圓柱拱，橫梁，拉條，斜撐等）>主拱拼>拉條，節(jié)點及加載連接裝置粘貼。如圖3-9所示： 圖3-9模型制作流程圖4結構計算4.1 計算模型內力計算采用SAP2000軟件進行。在用SAP2000建模中，我們對模型進行如下簡化分析： （1）構件材料認為與鋼材性質相似，只是彈性模量、抗拉強度有所不同。（2）圓柱與橫梁、拉桿與梁柱之間的連接均簡化為剛結。 （3）結構底部約束設定為固支約束。 （4）桿件均以軸線標示其位置，忽略桿件尺寸對計算結果的影響。 （5）根據加載方式，豎向荷載簡化作用到兩根扁長條。采用等效靜力荷載靜力分析和時程分析動力分析。 結構計算模型如圖

8、4-1所示。 圖4-1 計算模型 4.2 豎向荷載下受力分析受力計算時荷載取最大荷載4*2.355kg（92.316N）。根據加載塊情況，可以假定荷載直接作用于拉條四個對稱點（圖4-1），每個柱柱頂荷載92.316/4=23.079N。SAP2000分析內力圖見圖4-2所示。 4-2 剪力圖 4-2 彎矩圖 4-2 軸力圖圖4-2 豎向荷載內力圖在圖示荷載分析下，結構的5倍變形放大圖如圖4-3 圖4-3變形虛功圖如圖4-4 圖4-45承載力驗算5.1拱承載力驗算（1）強度分析模型在水平沖擊時，豎向荷載為競賽題目中的最大值。因此，最不利工況為水平沖擊荷載工況，豎向荷載工況不用驗算柱和梁的承載力。

9、由SAP2000分析結果如圖，結構所受最大軸力為388.39N，最大彎矩136.84N-mm，柱截面面積為38.48mm2，截面模量為131.88mm3，參照鋼結構計算公式，柱所受到的最大正應力為： 該值小于紙抗拉強度，滿足承載力要求。(2)剛度分析由于結構整體位移較小，剛度能夠滿足(3)穩(wěn)定性分析查表得柱穩(wěn)定系數(shù)為0.992。，滿足穩(wěn)定性要求6總結雖然這個結果不能代表實際情況，但是通過我們多次用實際模型進行加載分析，并通過位移計等相關測試儀器的測試結果可知，該建模結果在很多方面與實驗結果非常吻合。 同時通過 SAP2000 建模分析，我們對結構危險點有了非常清楚的了解。軟件分析和試驗分析共同使用，也給我們提供了不斷改進結構、完善結構的方向。綜合各項分析可知，該模型應該能夠通過第二級加載（豎向加載重物為4塊鐵塊，尺寸為200mm×50mm×30mm，質量約為2.355kg）?；仡欉@一段時間來的備戰(zhàn)，我們收獲頗豐，同時我們也有了將課堂上所學的知識應用于實踐的體會，這幫助我們更好的去學習理論知識。在備