創(chuàng)新設(shè)計最終版

1、1 設(shè)計說明書 11.1 設(shè)計構(gòu)思 11.1. 1 造型構(gòu)思 1.1.2. 2結(jié)構(gòu)體系的選擇4.1.3. 3特色說明 5.2 方案圖 52.1 結(jié)構(gòu)整體布置圖 62.2 主要構(gòu)件詳圖及節(jié)點圖 72.3 方案效果圖 1.0.3 計算書 1.2.3.1 結(jié)構(gòu)計算假定和各個單元物理參數(shù)1.23.1.1 計算假定 1.2.3.1.2 構(gòu)件截面尺寸1.2.3.2 計算簡圖 1.3.3.3 靜載狀況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析1.33.3.1 結(jié)構(gòu)強度計算1.3.3.3.2 結(jié)構(gòu)剛度計算1.6.3.4 承載能力驗算1.7.3.4.1 強度驗算 1.7.3.4.2 剛度驗算 1.8.3.4.3 穩(wěn)定性驗算1.8.3.5

2、 承載能力的估算1.9.3.5.1 穩(wěn)定條件控制的最大承重G11.93.5.2 強度條件控制下的最大承重G21.93.5.3 剛度條件控制的最大承重G31.93.6 破壞形式的估計1.9.附錄一 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器輸入源代碼2.1附錄二 結(jié)構(gòu)內(nèi)力輸出值2.3.附錄三 結(jié)構(gòu)變形輸出值2.4.1設(shè)計說明書以房屋建筑中的肋形梁樓蓋和立柱的設(shè)計理念，設(shè)計扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)。用柔性 的面板和剛性的骨架組成擋墻，以斜向的撐桿替代扶壁，構(gòu)成由骨架與斜立柱組合的 空間體系，給人一種簡單而又不失穩(wěn)重的感覺。1.1 設(shè)計構(gòu)思設(shè)計的對象為扶壁式擋土墻，扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)包括圍墻和側(cè)撐兩部分， 如下圖所示。扶 壁式擋土墻是一

3、種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻， 其主要特點是構(gòu)造簡單、施工方便，墻身斷 面較小，自身質(zhì)量輕，可以較好的發(fā)揮材料的強度性能，能適應(yīng)承載力較低的地基。適用于缺乏石料及地震地區(qū)。 一般在較高的填方路段采用來穩(wěn)定路堤，以減少土石方工程量和占地面積。扶壁式擋土墻，斷面尺寸較小，踵板上的土體重力可有效地抵抗傾覆和滑移，豎板和扶壁共同承受土壓力產(chǎn)生的彎矩和剪力。1.1.1 造型構(gòu)思(1)材料強度分析紙質(zhì)桿件的抗彎能力最弱，因此，設(shè)計時應(yīng)盡可能降低由荷載產(chǎn)生的彎矩。由表 1、表2可看出白卡紙的主要優(yōu)點是擁有較強的抗拉性能；經(jīng)試驗，白卡紙制成的桿23件抗壓性能也較強。因此，結(jié)構(gòu)體系的桿件受力應(yīng)以受拉和受壓為主表12

4、30克白卡紙彈性模量名稱種類層數(shù)彈性模量（MPa）230克白卡紙156.92148.2表2230克白卡紙極限應(yīng)力名稱類型層厚(mm)拉應(yīng)力(N/ mm2)壓應(yīng)力(N/ mm2)備注230克白卡紙0. 322.27.0受壓計算時需考慮長 細(xì)比對穩(wěn)定的影響（2）結(jié)構(gòu)功能要求設(shè)計構(gòu)思從以下三個角度出發(fā)：結(jié)構(gòu)具有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗滑性能； 結(jié)構(gòu)實用，美觀；結(jié)構(gòu)構(gòu)件多元化，使之充分利用，降低自重。止匕外，所設(shè)計結(jié)構(gòu)模型必須加載40kg的鋼珠，并在喪失承載力前持荷30秒以上 （不含30秒）。（3）結(jié)構(gòu)立面形式的選擇扶壁式擋土墻，相當(dāng)于沿墻的長度方向每隔一定距離設(shè)置一道扶壁，增強墻面板與墻踵板的連

5、接，以承受較大的彎矩作用，如圖 1。本結(jié)構(gòu)模型擬設(shè)置兩排扶壁，由 兩根斜柱構(gòu)成（斜柱以紙帶連接），斜柱直接撐在墻面主梁上。第一和圖2肋形梁樓蓋結(jié)構(gòu)最重要的功能，就是承受其生命全過程中可能出現(xiàn)的各種作用。因此，在選圖1扶壁式擋墻墻面板擬設(shè)置成肋梁樓蓋型式，如圖2。面板通過肋形梁體系將荷載傳遞給斜柱,最終由斜柱將荷載傳到底板。利用肋形骨架增大面板剛度，配合以合理的斜柱撐點使之不會傾覆。擇結(jié)構(gòu)型式中，為了能滿足結(jié)構(gòu)承載能力和抗滑要求，我們經(jīng)過反復(fù)試驗和甄選，充分考慮白卡紙的材料性質(zhì)，以結(jié)構(gòu)功能要求為基本出發(fā)點，從多種形式對比中，決定以扶壁式擋墻和肋形梁樓蓋作基本形式，再結(jié)合梁、柱各自的特點，最終選擇

6、斜柱、肋梁面板組成的結(jié)構(gòu)型式。（ 4）構(gòu)件截面的選擇由白卡紙材料性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的功能要求決定了構(gòu)件宜以受拉、壓為主，而白卡紙的受拉性能較好。因此，構(gòu)件截面型式的選擇應(yīng)從受壓性能最優(yōu)的截面形式開始考慮?？晒┻x擇的常見截面有圓形截面、方形截面、矩形截面等。從圓形、方形、矩形截面中考慮，圓形的受壓性能優(yōu)于方形，方形優(yōu)于矩形。但是，考慮到模型制作時圓形截面節(jié)點的處理難度較大（如圖 3 所示） ，因此，受壓桿件選方形截面為宜。3 圓形截面桿件連接示意圖1.1. 2 結(jié)構(gòu)體系的選擇結(jié)構(gòu)體系的選擇主要考慮結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗滑性能。 該體系為圖 4 所示的斜柱扶壁和由紙膜及骨架組成的墻面板， 通過節(jié)點處理將兩部

7、分構(gòu)件連為整體，并利用紙帶張拉以平衡整個結(jié)構(gòu)。這樣，整個結(jié)構(gòu)能夠具有較大的強度、剛度、穩(wěn)定性和以及較好的抗滑性。在側(cè)翼利用2cm的擋板使兩翼的面板形成三邊支撐的雙向板。最終的設(shè)計作品如圖 4。圖4結(jié)構(gòu)體系圖1.1.3特色說明(1)白卡紙薄膜層制作墻面板：白卡紙由3部分組成，將其油性一側(cè)最薄的薄膜 層撕開來制作墻面板，墻面板受拉，能充分發(fā)揮材料性能且滿足要求。(2)撕紙巧妙：先將白卡紙撕一小角，并用小圓桿卷起，慢慢滾動，再將外表薄 膜層撕下，無褶皺、裂痕；(3)結(jié)點加勁：斜撐桿與主梁連接處貼一片白卡紙，增加結(jié)點局部剛度和強度；(4)主次梁連接獨特：將橫次梁在制作之前在特定的位置開口，采用豎主梁貫

8、穿 橫次梁的原則，以此減少次梁因斷開損失的剛度，使主次梁剛度充分體現(xiàn)；2方案圖2.1結(jié)構(gòu)整體布置圖(a)墻面板正面圖(單位：mm)(b)側(cè)立面圖圖7結(jié)構(gòu)整體布置(單位：mm)2.2主要構(gòu)件詳圖及節(jié)點圖首先對模型主要構(gòu)件及關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行編號，如圖8所示(1)主要構(gòu)件詳圖圖8構(gòu)件及節(jié)點編號圖圖9號桿詳圖圖11號桿詳圖2.3方案效果圖圖12方案側(cè)面效果圖圖13 方案正面效果圖方案俯視效果圖圖143 計算書3.1 結(jié)構(gòu)計算假定和各個單元物理參數(shù)3.1.1 計算假定（ 1）對節(jié)點進(jìn)行編號（ 如圖 15） ，單元桿用兩節(jié)點的數(shù)字編號進(jìn)行表示，如單元桿 1,2。（ 2）該模型中墻面板由斜桿支撐，在由側(cè)向鋼珠產(chǎn)

9、生的“土壓力”的作用下，為簡化計算，將斜桿簡化為二力桿進(jìn)行受力分析。（3）粗砂的重度取20kN/m3,內(nèi)摩擦角（=30°,粘聚力c=0 kPa。（ 4） 為簡化計算，將模型按平面結(jié)構(gòu)計算， 墻面作用有三角形分布的 “土壓力” 。通過計算可求得底端最大“土壓力”為2.667kPa。（ 5）在模型底部，由于鋼珠壓力所產(chǎn)生的摩擦力足以保證模型的抗滑要求，對結(jié)構(gòu)模型可以提供水平約束，但是允許墻面板在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角 , 故可視為固定鉸支座。如圖 15。3.1.2 構(gòu)件截面尺寸斜撐：夕!形，11mmX11mm,厚度 0.6mm；主梁：矩形,10mmX10mm,厚度0.3mm；次梁：矩形，5m

10、mX11mm, 厚度0.3mm；三角格構(gòu)梁：三角形，7mmX7mm,厚度0.3mm；3.1.3 材料力學(xué)性質(zhì)紙質(zhì)桿件的抗彎能力最弱， 因此， 設(shè)計時應(yīng)盡可能降低荷載產(chǎn)生的彎矩。 由表 1，表 2 可看出白卡紙的主要優(yōu)點是擁有較強的抗拉性能；經(jīng)試驗，白卡紙制成的桿件抗壓性能也較強。因此，結(jié)構(gòu)體系的桿件受力應(yīng)以受拉和受壓為主。經(jīng)試驗對比，發(fā)現(xiàn)比賽指定材料具有如下特點：白卡紙抗拉性能良好，抗壓能力較差（力學(xué)性能分見表2） ；白卡紙卷成紙筒狀并用膠粘結(jié)后可承受一定壓應(yīng)力；白卡紙分光滑面和粗糙面，粗糙面粘結(jié)效果更好；白卡紙各向異性，有順紋和逆紋之分，順紋的強度較高；白乳膠粘結(jié)力強，紙帶對接強度降低，側(cè)接

11、則能達(dá)到與母材強度相同3.2計算簡圖圖15計算簡圖3.3靜載狀況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析3.3.1結(jié)構(gòu)強度計算荷載狀況：144kg靜力荷載。通過編輯結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器代碼，以及各截面參 數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出計算結(jié)果。(1)截面參數(shù)、頭目A (mm2)I (mm4)EA ( N)EI (N mm2)i (mm)斜撐2.55451.44377.916690313. 3主梁1.6203.47911157711.28次梁1.0579.7459.754537.28.7三角格構(gòu)梁0.8413.0547.80742.5453.94表3主要構(gòu)件截面參數(shù)表71圖18 剪力圖（N）27.00圖18 橫向彎矩圖（N mm）圖1

12、8 橫向軸力圖（N mm）3.3.2結(jié)構(gòu)剛度計算模型在豎向荷載作用下，產(chǎn)生相應(yīng)的位移，圖19列出了個主要節(jié)點的位移圖19位移示意圖結(jié)構(gòu)變形最大處在懸臂端，最大撓度值為 6.4mm,變形較小，滿足要求。3.4承載能力驗算3.4.1 強度驗算(1)斜向撐桿斜桿最大軸力Nmax=4.51N ,則b斜桿" Nm =4.51/2.55=1.77MPa < d=7MPa,滿足強度要求。 A(2)主梁桿利效應(yīng)組合。(7=&MmxA滿足強度要求。在荷載作用下最大軸力Nmax=6.1N,最大彎矩 Mnax=36.16N mm,按最不136.16- =4.21Mpa<(r=22MPa

13、。(3)次梁桿在荷載作用下最大軸力 Nmax=0.63N,最大彎矩 Mnax=38.03N mm,按最不利效應(yīng)組合。LNax 叫空 063 3803=3.22Mpa<(r=22MPa, A W 1.05 14.5滿足強度要求。3.4.2 剛度驗算本設(shè)計允許最大撓度為f= 18mm,豎向荷載作用下，經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計算得, 主梁跨中產(chǎn)生最大橫向撓度為 6.05mm< f = 18mm,滿足剛度要求。3.4.3 穩(wěn)定性驗算經(jīng)大量試驗得到各不同長細(xì)比下的穩(wěn)定系數(shù)，見表 4。表4不同長細(xì)比對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)小長細(xì)比入1020304050607080穩(wěn)定系數(shù)小0. 930. 880. 780.6

14、60.590. 520. 480. 37(1)斜撐(長)：鋼珠側(cè)向力通過次梁傳于主梁后作用于斜桿上：取最不利受壓月a部斜桿計算，其桿端L 312受直接荷載作用，計算長度為312mm,長細(xì)比L . 23.46,查表4內(nèi)插得i 13.3NmaxAf=0.8554。紅8 1.27Mpa<fc 7MPa ,滿足穩(wěn)定性要求。2.55 0.8554(2)斜撐(短)：鋼珠側(cè)向力通過次梁傳于主梁后作用于斜桿上：取最不利受壓腹部斜桿計算，其桿端受直接荷載作用，計算長度為 159mm,長細(xì)比L 11.88,查表4內(nèi)插得 i 13.3N451=0.9206 max =-1.92 MPa<fc 7MPa,

15、Af 2.55 0.9206滿足穩(wěn)定性要求。3.5 承載能力的估算已知材料雙層紙的抗壓強度為p -7N/mm2 ,抗拉強度為p 22N/mm2 。pp3.5.1穩(wěn)定條件控制的最大承重Gi荷載作用下，斜撐失穩(wěn)時的臨界應(yīng)力cr -6.55N/mm2 ,為各構(gòu)件截面中應(yīng)力最大，由此推出G1土 工 144=153.9 r 6.55(kg)3.5.2 強度條件控制下的最大承重G2荷載作用下，斜撐 cr -4.583N/mm2 ,為各構(gòu)件截面中應(yīng)力最大，由此推出G2 漂 144 220對)。.3.5.3 剛度條件控制的最大承重G3本設(shè)計容許最大變形f =22mm ,變形控制的最大承重 G3J8- 144=

16、428.46.05(kg)。3.6 破壞形式的估計對模型的特點及以上計算的受力分析，粗略估計該模型可能發(fā)生的破壞形式主要 有以下兩種：(1)偏心產(chǎn)生的整體傾覆由于模型的主體結(jié)構(gòu)受到鋼珠的水平推力，面板垂直高度受力呈三角分布狀，斜撐制作誤差及加載過程中鋼珠的不均勻分布致使長斜撐存在偏心作用，從而使模型發(fā)生橫向的整體傾覆。(2)局部損壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞由以上的受力分析可看出下部面板所受的壓應(yīng)力較大，最接近其極限壓應(yīng)力，由于面板的抗拉強度有限，容易在桿件受力節(jié)點處產(chǎn)生應(yīng)力集中，故在此情況下，墻面板局部可能容易被破壞從而引起結(jié)構(gòu)整體的破壞。結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器輸入源代碼縱向簡圖輸入：結(jié)點 ,1,0,0結(jié)點 ,2

17、,0,130結(jié)點 ,3,0,270結(jié)點 ,4,91,0結(jié)點 ,5,156,0結(jié)點 ,6,0,400單元 ,1,2,1,1,0,1,1,1單元 ,2,3,1,1,1,1,1,1單元 ,3,6,1,1,1,1,1,1單元 ,1,4,1,1,1,1,1,1單元 ,4,5,1,1,1,1,1,1單元 ,2,4,1,1,0,1,1,0單元 ,3,5,1,1,0,1,1,0結(jié)點支承,1,3,0,0,0結(jié)點支承,4,1,0,0結(jié)點支承,5,1,0,0單元荷載,1,5,0.02667,0.01800,0,1,90單元荷載,2,5,0.01800,0.00867,0,1,90單元荷載,3,5,0.00867,0

18、,0,1,90單元材料性質(zhì),1,5,91,11577,0,0,-1單元材料性質(zhì),6,7,377.91,66903,0,0,-1橫向簡圖輸入：結(jié)點 ,1,0,0結(jié)點 ,2,65,0結(jié)點 ,3,235,0結(jié)點 ,4,300,0結(jié)點 ,5,0,70結(jié)點 ,6,300,70單元 ,5,1,1,1,1,1,1,1單元 ,1,2,1,1,0,1,1,1單元 ,3,4,1,1,1,1,1,0單元 ,2,3,1,1,1,1,1,1單元 ,4,6,1,1,1,1,1,1結(jié)點支承,5,1,-90,0結(jié)點支承,6,1,90,0結(jié)點支承,2,3,0,0,0結(jié)點支承,3,1,0,0單元荷載,1,3,0.0180,0,1

19、,90單元荷載,2,3,0.0180,0,1,90單元荷載,4,3,0.0180,0,1,90單元荷載,3,3,0.0180,0,1,90單元荷載,5,3,0.0180,0,1,90結(jié)構(gòu)內(nèi)力輸出值縱向內(nèi)力計算：桿端內(nèi)力值（ 乘子 = 1）桿端 1桿端 2單元碼軸力剪力 彎矩 軸力剪力 彎矩16.098625481.358794880.000000006.09862548-1.54475512-24.297665422.404085871.04142261-24.29766542.40408587-0.82547739-24.420500030.000000000.56355000-24.420

20、50000.000000000.000000000.0000000043.975205120.000000000.000000003.975205120.000000000.0000000051.389027390.000000000.000000001.389027390.000000000.000000006-4.509760330.000000000.00000000-4.509760330.000000000.000000007-2.776513270.000000000.00000000-2.776513270.000000000.00000000橫向內(nèi)力計算：桿端內(nèi)力值（ 乘子 =

21、 1）桿端 1桿端 2單元碼軸力剪力 彎矩 軸力剪力 彎矩10.000000000.630000000.000000000.00000000-0.630000000.0000000020.630000000.000000000.000000000.63000000-1.17000000-38.025000030.630000001.17000000-38.02500000.630000000.000000000.0000000040.630000001.53000000-38.02500000.63000000-1.53000000-38.025000050.000000000.630000000.000000000.00000000-0.630000000.0000000027結(jié)構(gòu)變形輸出值縱向位移計算：桿端位移值（ 乘子 = 1）桿端 1桿端 2單元碼 u - 水平位移 v - 豎直位移-轉(zhuǎn)角 u - 水平位移 v - 豎直位移-轉(zhuǎn)角10.000000000.00000000-0.2851382319.72352858.71232211-0.06834476219.72352858.71232211-0.0683447631.027254