結(jié)構(gòu)模型計(jì)算書(shū)3

1、2014年湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽靜荷載作用下拱結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)計(jì) 算 書(shū)學(xué)校名稱(chēng)： 華中科技大學(xué)作品名稱(chēng)： 單飛虹影參賽人員： 陳安定 黃炎 陳祥磊指導(dǎo)老師： 熊世樹(shù) 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(jié)構(gòu)方案- 4 -3.1結(jié)構(gòu)選型- 4 -3.2 結(jié)構(gòu)制作- 6 -3.2.1 構(gòu)件選型- 6 -3.2.2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造- 6 -3.2.3 模型制作工藝- 8 -4結(jié)構(gòu)計(jì)算- 10 -4.1 計(jì)算模型-10-4.2 豎向荷載下受力分析- 11 -5承載力驗(yàn)算- 13 -5.1柱承載力驗(yàn)算- 13 -6總結(jié)- 15 -22014年湖北省大學(xué)生

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽單飛虹影模型計(jì)算書(shū)1概 述 結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)在施工完成后正常使用過(guò)程中的受力狀態(tài)是不完全一樣的，甚至差異會(huì)比較大。有些情況下，設(shè)計(jì)人員只針對(duì)后者進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的狀態(tài)及其響應(yīng)必須得到工程師的重視，要求施工過(guò)程安全可控，建成后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線型分布滿(mǎn)足設(shè)計(jì)，同時(shí)也提倡設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮可能的施工過(guò)程影響。 本屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程為宗旨，希望通過(guò)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、制作與荷載試驗(yàn)，了解結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程的受力特點(diǎn)和破壞特點(diǎn)，探求提高結(jié)構(gòu)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(kāi)(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(shí)的濃度問(wèn)題，太稀，內(nèi)含水分太多，凝固時(shí)間太長(zhǎng)，太稠，粘結(jié)不牢，都不可取。因此，在使用之前應(yīng)該做一定量的試驗(yàn)品來(lái)校準(zhǔn)使用量。白乳膠如圖2-1所示。 圖2-13結(jié)構(gòu)方案3.1結(jié)構(gòu)選型在進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)選型之前，我們提出了多種方案，并制作出對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)品進(jìn)行加載，驗(yàn)證自己的猜想。每個(gè)模型都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，我們必須經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算以及考慮制作工藝的可行性后才能進(jìn)行判斷，進(jìn)而選擇出最優(yōu)的模型。由于賽題中尺寸的相關(guān)限制，我們的模型基本上都是從拱結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造。1、拱主拱結(jié)構(gòu)拱的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：1

4、.跨越能力較大； 2.外形美觀； 3.構(gòu)造較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：1.自重較大，相應(yīng)的水平推力也較大，增加的下部結(jié)構(gòu)的工作量，對(duì) 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(jié)構(gòu)中，為防止破壞而 需采用較復(fù)雜的措施。2、拱斜撐結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)在主拱的基礎(chǔ)上增加了每拱之間的斜撐，較大程度上提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度以及承載能力。但是，該結(jié)構(gòu)對(duì)制作工藝的要求較高，尤其是斜撐與主拱相交的結(jié)點(diǎn)處。如果該結(jié)點(diǎn)處的制作出現(xiàn)錯(cuò)誤，便很有可能引起加載過(guò)程中的結(jié)構(gòu)破壞。3、拱撐桿結(jié)構(gòu)在平行的兩拱之間增加水平撐桿，爭(zhēng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)在荷載的作用下發(fā)生水平變形。撐桿不是主要的受力構(gòu)件，只需要很薄很輕的短圓桿

5、即可很好的固定結(jié)構(gòu)。4、 拱拉條結(jié)構(gòu) 當(dāng)拱在下面受到荷載時(shí)，通過(guò)拉條將荷載傳到主拱上，當(dāng)拉條對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，拱的受力就會(huì)對(duì)稱(chēng)。 根據(jù)上述四種結(jié)構(gòu)形式的分析，采用拱拉條斜撐結(jié)構(gòu)作為本次結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)效果圖及相應(yīng)尺寸如圖3-1，3-3所示：圖3-1 結(jié)構(gòu)效果圖拱線型圖如圖3-2如圖3-2圖3-3結(jié)構(gòu)尺寸示意圖長(zhǎng)度寬度直徑數(shù)量主拱270450710橫梁18015046斜撐300150510拉條1350612 圖 3-3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件說(shuō)明3.2 結(jié)構(gòu)制作3.2.1 構(gòu)件選型1）圓截面 考慮到繪圖紙紙質(zhì)軟，該模型的柱子采用多層卷粘的圓型柱。試驗(yàn)表明這種 做法受力性能與計(jì)算符合得很好。2）拉條拉條的主要作用是防止

6、結(jié)構(gòu)側(cè)向失穩(wěn)，考慮到紙張厚度過(guò)小，尺寸需要加強(qiáng)，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(diǎn)構(gòu)造（1）單拱節(jié)點(diǎn)由于本次結(jié)構(gòu)為大跨結(jié)構(gòu)，而構(gòu)件的長(zhǎng)度受到了限制，過(guò)長(zhǎng)極容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，所以我們的一拱用5跟圓柱鏈接而成。故我們?cè)趦蓚€(gè)桿件之間采用了如下形式的節(jié)點(diǎn)處理方法。如圖3-6所示。 圖3-6 單拱節(jié)點(diǎn)詳圖（2）主桿與橫梁節(jié)點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性，主桿與橫梁采用圖3-7所示節(jié)點(diǎn)連接方式。 圖3-7主桿與橫梁節(jié)點(diǎn)詳圖 （3）長(zhǎng)拉條與主拱節(jié)點(diǎn) 拉條用于承擔(dān)直接荷載作用，與主拱低端相連，節(jié)點(diǎn)采用圖 3-8 所示節(jié)點(diǎn)連接方式。 圖3-8長(zhǎng)拉條與主拱節(jié)點(diǎn)詳圖3.2.3 模型

7、制作工藝制作流程：基本構(gòu)件制作（圓柱拱，橫梁，拉條，斜撐等）>主拱拼>拉條，節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)計(jì)算4.1 計(jì)算模型內(nèi)力計(jì)算采用SAP2000軟件進(jìn)行。在用SAP2000建模中，我們對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化分析： （1）構(gòu)件材料認(rèn)為與鋼材性質(zhì)相似，只是彈性模量、抗拉強(qiáng)度有所不同。（2）圓柱與橫梁、拉桿與梁柱之間的連接均簡(jiǎn)化為剛結(jié)。 （3）結(jié)構(gòu)底部約束設(shè)定為固支約束。 （4）桿件均以軸線標(biāo)示其位置，忽略桿件尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。 （5）根據(jù)加載方式，豎向荷載簡(jiǎn)化作用到兩根扁長(zhǎng)條。采用等效靜力荷載靜力分析和時(shí)程分析動(dòng)力分析。 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖

8、4-1所示。 圖4-1 計(jì)算模型 4.2 豎向荷載下受力分析受力計(jì)算時(shí)荷載取最大荷載4*2.355kg（92.316N）。根據(jù)加載塊情況，可以假定荷載直接作用于拉條四個(gè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn)（圖4-1），每個(gè)柱柱頂荷載92.316/4=23.079N。SAP2000分析內(nèi)力圖見(jiàn)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(nèi)力圖在圖示荷載分析下，結(jié)構(gòu)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(yàn)算5.1拱承載力驗(yàn)算（1）強(qiáng)度分析模型在水平?jīng)_擊時(shí)，豎向荷載為競(jìng)賽題目中的最大值。因此，最不利工況為水平?jīng)_擊荷載工況，豎向荷載工況不用驗(yàn)算柱和梁的承載力。

9、由SAP2000分析結(jié)果如圖，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)計(jì)算公式，柱所受到的最大正應(yīng)力為： 該值小于紙抗拉強(qiáng)度，滿(mǎn)足承載力要求。(2)剛度分析由于結(jié)構(gòu)整體位移較小，剛度能夠滿(mǎn)足(3)穩(wěn)定性分析查表得柱穩(wěn)定系數(shù)為0.992。，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求6總結(jié)雖然這個(gè)結(jié)果不能代表實(shí)際情況，但是通過(guò)我們多次用實(shí)際模型進(jìn)行加載分析，并通過(guò)位移計(jì)等相關(guān)測(cè)試儀器的測(cè)試結(jié)果可知，該建模結(jié)果在很多方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。 同時(shí)通過(guò) SAP2000 建模分析，我們對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)有了非常清楚的了解。軟件分析和試驗(yàn)分析共同使用，也給我們提供了不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)、完善結(jié)構(gòu)的方向。綜合各項(xiàng)分析可知，該模型應(yīng)該能夠通過(guò)第二級(jí)加載（豎向加載重物為4塊鐵塊，尺寸為200mm×50mm×30mm，質(zhì)量約為2.355kg）?；仡欉@一段時(shí)間來(lái)的備戰(zhàn)，我們收獲頗豐，同時(shí)我們也有了將課堂上所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的體會(huì)，這幫助我們更好的去學(xué)習(xí)理論知識(shí)。在備