結構設計說明書實用模板

1、西南科技大學第十五屆結構設計競賽（建工組）渡槽支承系統(tǒng)結構模型設計及制作方案設計說明書作品名稱 參賽編號 參賽隊員 提交類型駐華而立001張三 李四 王五 終稿二O八年四月摘要我國是一個水資源短缺的國家， 且水資源時空分布不均勻。 總體來看， 時間 上，夏秋多、冬春少；空間上，南方多、北方少。在這種情況下，我國利用空間 渡槽支承系統(tǒng)結構架起了輸水管道， 將南方相對充沛的水資源運往北方， 這是我 國解決水資源匱乏問題的方法之一。本次結構設計競賽制作的模型結構就是渡槽支承系統(tǒng)結構， 此模型結構要求 輸水管應經(jīng)過相隔一米的 A、B 兩個灌溉點， 其余結構自定義。 基于本賽題要求， 我們合理設計了強度

2、大、 撓度小、 同時兼顧穩(wěn)定性的結構體系。 總體方案采用橋 梁大跨度與普通跨度結合的設計， 梁體設計在大跨處采用張弦設計。 普通跨度處 采用張拉式多跨支撐及連續(xù)格構柱支撐的方案，橋墩設計采用格構柱及“V”型門架設計，“ V型門架與承臺板用螺釘連接，為拉緊拉條提供支點，中部格構 柱用于支撐輸水管。 最后一段橋梁采用三個格構柱連續(xù)支撐的設計方式， 可靈活 應變輸水管長度不均， 最后一段自然彎曲角度大等問題。 模型整體均利用竹皮良 好的抗拉性能， 如此設計可以保證在較小質量的狀態(tài)下保證結構的強度、 剛度和 穩(wěn)定性。在概念設計后經(jīng)多次有限元分析計算、 實體模型的試驗和構件的不斷優(yōu) 化，確定了具有較佳荷

3、重比的模型。本計算書主要從結構方案、結構建模及受荷分析、節(jié)點構造、模型制作 4 個部分進行闡述。通過有限元分析程序 Midas civil 對模型進行了靜力分析，結 果表明所用結構體系具有較強的承載力和良好的穩(wěn)定性能， 在滿足大跨度要求下 成功抵御競賽給定的靜載作用。關鍵詞 ：渡槽支承系統(tǒng) 靜力分析 Midas civil 分析目錄摘要 1第一章 設計說明 11.1 作品簡介 11.2 設計思路 21.3 結構選型 4第二章 節(jié)點構造 72.1 桿件拼接連接 72.2 背索與柱節(jié)點的連接 72.3 橋面拉索與背索的連接 82.4 柱腳節(jié)點以及固定 82.5 背索固定 92.6 材料截面選擇 9

4、第三章 總結與感悟 13第一章 設計說明1.1 作品簡介此次結構設計大賽模型為渡槽支承系統(tǒng)結構模型，采用竹質材料制作完成， 整體為帶有四個轉角形式總長 6.5m 模型。模型可分段可整體，至少需要一個跨 度為1050mn橋。加載時，模型包括承臺板、各段模型以及輸水管三部分。模型 荷載由輸水管注水實現(xiàn)，水流逐漸注滿整個輸水管，并持荷20s，最后排出所有水。模型柱子與承臺板通過螺釘固定在承臺板上。其中，輸水管與輸水裝置、承 臺板、螺釘均由主辦方提供。模型的制作、粘結用 502膠水完成。本次競賽的目的是在滿足賽題要求的前提下， 合理設計構件截面形式、 截面 尺寸、構件連接方式、 結構布置形式以及制作工

5、藝， 使得最終的結構模型在具有 較強的豎向承載能力的同時， 有足夠的強度與側向穩(wěn)定性， 以及接近正常使用極 限狀態(tài)承受 50kg 荷載為前提，以承受均布荷載作用下所產(chǎn)生的彎曲、剪切、扭 轉效應。同時根據(jù)賽題規(guī)則， 要充分考慮結構自重以及剛度， 在保證結構正常使 用極限狀態(tài)承受 50kg 荷載和達到更大的極限承載能力極限狀態(tài)，以及保證模型 穩(wěn)定性的情況下，以最小的結構自重承受各層剪力、軸力、彎矩、扭矩，并且保 證足夠大的輸水效率。 在整個設計模型的過程中， 我們充分的運用到了所學的材 料力學、結構力學、流體力學、橋梁工程等相關知識，同時查閱了橋梁受均布豎 向荷載作用和水流沖擊荷載作用的相關原理，

6、綜合橋梁結構的傳力、受力特點， 考慮多方面因素，最終采用此方案。橋跨部分：整個橋為張弦式結構橋，整體跨度為1040mm橋分4跨，上弦桿采用4mm*0.35mr拉條，起構型作用，保證腹桿穩(wěn)定性；以及在卸載后使模型 能恢復原狀以保證排水效率。下弦梁采用 6mm*0.55mr中薄雙層竹皮拉條，在滿 足強度要求的情況下， 使用雙層拉條防止構件因材料離散性在節(jié)點處破壞。 橋兩 端擱置在柱上， 柱采用魚腹式格構柱， 基本滿足結構剛度及穩(wěn)定性要求。 背索采 用5mm*0.55mr中薄雙層竹皮拉條，兩條背索向中靠攏端固定于一點，提供橋向 外拉力，抵抗水流對橋不利荷載。普通跨度部分：普通跨度采用兩段高度逐級降低

7、的多跨支撐結構和一段連續(xù) 格構柱支撐結構，多跨支撐結構橋墩為兩個“ V'型門架和一個格構柱，其連續(xù) 高度為 320mm 310mm 300mn及 295mm 285mm 275mm 橋面為兩條 7mm*0.35mm 拉條，基本滿足結構強度要求。垂直橋面方向采用3mm*0.35mr拉條連接，增強 模型整體性?！癡”型門架柱子采用0.35mm厚竹皮制作成的6mm*7mm字桿，柱 腳用螺釘卡住防止其滑動。格構柱垂直及水平方向桿件采用 2mm*2m竹條，其余 部分均采用2mm*0.35mr拉條，增強格構柱穩(wěn)定性及整體性。連續(xù)格構柱連續(xù)高 度為 270mm、260mm、250mm。1.2 設計思

8、路1.2.1 設計思路此次結構設計競賽要求設計的模型為渡槽支承結構， 制作材料為本色復壓竹 皮及竹條。根據(jù)題目要求，在滿足高差要求、輸水效率、指定水流路徑點，結構 各構件形式可合理設計， 布置、構件內部構造以及構件的平面內約束在規(guī)定范圍 內即可，這就給我們的方案設計提供了空間，我們的設計思路如下：1）確保主體結構強度與穩(wěn)定性，保證結構正常使用極限狀態(tài) 根據(jù)本次比賽的評分規(guī)則，結構首先應能承受 50kg 加載和不整體失穩(wěn)，故在制作時注重結構的整體性和對稱性的精確度與錨固可靠性。2）優(yōu)化結構強度、剛度分布經(jīng)過理論分析， 模型在豎向荷載和水流沖擊作用下， 結構主要承受豎向彎矩 作用和面外傾覆， 需要

9、足夠的抗彎剛度和穩(wěn)定性， 因此采用張弦式橋和多跨支撐 結構。同時由于水流的加載過程會逐漸產(chǎn)生不同程度的偏心，彎矩將達到增大， 然后逐漸減小直至穩(wěn)定， 而剪力逐漸增大直至最大， 期間橋梁結構將可能產(chǎn)生簡 諧振動，最終結構跨中彎矩最大， 柱頂剪力最大。 據(jù)此我們的橋梁結構采用了張 弦梁形式多跨支撐及連續(xù)格構柱支撐形式， 有效利用竹皮良好的抗拉性能， 具有 較大的豎向承載力。 在此條件下， 利用軟件計算分析模型頂部傾覆， 嘗試找到在 滿足強度要求的前提下又具有一定的抗側剛度， 同時又不至于豎向位移太大而降 低輸水效率。柱與卡扣榫卯構件相連接并用螺釘緊固， 連接牢固，脫落概率極小。 橋梁上弦桿拉拉條保

10、證豎向構件穩(wěn)定性及模型整體性， 張弦式橋梁豎向承載力比 較好，只是安裝時給拉條施加的預應力效果會影響承載力。3）平面外設置拉條，提高結構抗側剛度結構雖然具有足夠剛度但結構整體性不足， 在橋兩端均設置了拉條， 使當結 構存在側傾傾向時能夠拉的住此模型， 且在靜載作用下， 在結構發(fā)生扭轉時， 拉 條的一松一緊，有效抵抗扭矩防止節(jié)點脫開。122方案演化在制作模型初期我們采用的總體方案為橋梁大跨度與普通跨度結合的設計，梁體設計在大跨處采用張弦式設計，普通跨度采用多跨支撐以及多個格構柱支撐 形式。因為該結構形式比較成熟，基本工程中均直接考慮此種結構。 通過高度逐 漸降低的連續(xù)梁橋將輸送水流。因此，接下來

11、我們將著重考慮結構的剛度、構件 強度、施工工藝的設計。通過理論分析、多次的模型試驗同時考慮到多種因素， 我們的結構模型設計方案經(jīng)過了如下的演化過程，最終形成參賽方案。圖1方案演化圖(1 )確保主體結構的強度和穩(wěn)定性為了確保結構承受賽題要求的豎向荷載并且保證整體的穩(wěn)定性， 使用張弦式 橋梁，并且采用較大的截面和整體截面，下面采用中薄雙層6mrtK 0.55mm竹條作 為提供支撐力的主要構件。普通跨度處為保證多跨支撐的強度，在跨中我們增設 一個格構柱來降低跨中撓度，提高輸水效率。(2) 協(xié)調各截面剛度分布在前期試驗基礎上，主體結構有了較好的強度和穩(wěn)定性。在保證結構整體穩(wěn) 定的基礎上，結合對位移的分

12、析，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)模型剛度較小，過分加強又過大， 水流沖擊時可能會造成損壞。此時并非結構的最優(yōu)剛度。因此在主跨橋梁處橋柱 我們選擇使用魚腹式格構柱來滿足橋跨部分的強度和剛度要求， 且格構柱穩(wěn)定性 好。多跨支撐部分為降低兩端橋柱的彎矩， 我們選擇將柱頂端外傾，保證橋柱不 會受彎破壞。(3) 設計抗扭構造措施由于模型(特別是最大跨度的橋梁)，跨度大，高度高，在水流沖擊作用下 容易產(chǎn)生扭轉。 在橋梁兩側外部設置向內側擴張的拉條， 以控制其穩(wěn)定性， 防止 輸水管轉角沖擊對兩側模型產(chǎn)生不利影響。 同時用竹皮包住節(jié)點， 防止節(jié)點脫開。(4) 最大限度減小模型自重在保證結構豎向承載力、 整體剛度、 抗扭能力的

13、情況下， 本模型盡可能減小 自重。經(jīng)過理論計算和實踐測試我們橋跨部分的下部拉索采用 6*0.55 的中薄雙 層拉條，上部構型拉條采用 4*0.35 ，背索采用 5*0.55 的中薄雙層拉條。多跨支 撐段橋面拉索在 1200跨度段我采用 7*0.35 ，在 1300跨度段采用 8*0.35 ，背索 采用 7*0.35 。因格構柱承壓能力強，受壓桿采用最細的 2*2 竹條制作。該模型 制作難度低， 模型質量輕，該結構抗剪強度也滿足要求， 輸水效率高， 較為穩(wěn)妥。 結構豎向承載力、整體穩(wěn)定性、抗扭能力也都得到保證。1.3 結構選型1.3.1 模型結構選擇本次競賽的渡槽支撐系統(tǒng)滿足具體的灌溉點、 高度

14、、持荷加載、 卸載以及輸 水效率的要求， 但是對于結構的形式不做要求， 因此在模型的結構選擇中我們有 較大的選擇空間。 通過解讀與分析賽題， 我們認為所制作的模型要滿足以下的基 本要求：(1)模型長度應符合自然管長6.5m,且需經(jīng)過AB兩灌溉點；( 2)模型不發(fā)生整體垮塌(允許局部損壞，但輸水管不得觸碰承臺板并且 不能損壞),且輸水效率應達到賽題要求的 90%；( 3)滿足現(xiàn)場制作和裝載時,使用規(guī)定工具能達到的拼裝精度,且制作工 序不過于復雜,尤其是要便于安裝防止安裝超時。在對多種結構形式的模型測試和分析中,得出以下結論：( 1 ) 多跨桁架橋： 優(yōu)點：強度大,穩(wěn)定性高,模型形變小,輸水效率高

15、。 缺點：自重大,制作工藝復雜,模型節(jié)點過多不利于處理,。( 2) 多跨張弦橋： 優(yōu)點：制作工藝簡單,輸水效率高,強度滿足荷載要求。 缺點：自重較大,穩(wěn)定性較差,拉條因材料離散性易發(fā)生斷裂。(3) 單跨張弦橋+多個四角支撐結構：優(yōu)點：制作工藝簡單，安裝效率高，輸水效率高，強度滿足荷載要求。缺點：自重較大，與承臺板連接節(jié)點未直接連接易發(fā)生滑動。(4) 單跨張弦橋+多塔張拉式結構+多個單立柱優(yōu)點：制作工藝簡單，輸水效率高，自重小，強度大，穩(wěn)定性較好。缺點：安裝較復雜，橋柱受彎矩較大，易發(fā)生破壞。經(jīng)過多次實驗，理論分析，軟件模擬，我們最終選擇了第四種結構形式并進 行優(yōu)化我們得到模型形式如下圖：圖2模

16、型整體實物圖132模型結構圖圖3橋梁尺寸圖"d1Q |圖4多跨支撐結構尺寸圖圖5格構柱尺寸圖第二章節(jié)點構造2.1桿件拼接連接桿件在打印出來的圖紙上進行組裝拼接， 以達到足夠的精確度，降低模型受 到的手工因素影響，在這個制作過程中，精確度要求最高的是柱子的底端傾角， 另外一個就是格構柱的拼接精確度問題，我們通過拉條對有些存在手工誤差的桿 件進行調整精確度，達到橫平豎直的模型效果。圖6格構柱節(jié)點圖7柱底端傾角2.2背索與柱節(jié)點的連接為保證加載過程中柱的穩(wěn)定性，在柱上節(jié)點處各連接一根拉條作為背索固定 柱面。柱頂拉條取計算長度延升3-5mm粘貼到與拉力方向相反的桿面保證拉條在 加載過程中不會

17、被拉脫。圖8背索與柱節(jié)點2.3橋面拉索與背索的連接橋面拉索與背索的連接參考鋼結構中鋼板的焊接方式，在背索與柱節(jié)點處首 先用502粘接一片竹皮，再將橋面與背索粘接，為防止橋面拉索與背索拉脫，再 用一片竹皮粘接橋面拉索與背索。圖9橋面拉索與背索連接處理2.4柱腳節(jié)點以及固定柱腳與承臺板的連接，我們采用螺栓連接方式，首先將竹皮加工成一個小片, 將柱腳卡進入小片，最后用螺釘固定在承臺板上。2.5背索固定背索的固定我們采用螺栓連接，通過螺釘將背索與承臺板進行固定。在連接 處為防止孔壁破壞，我們將連接處用502粘接兩層順紋竹皮和一層逆紋竹皮，以 保證孔壁在各方向上的承壓能力。圖11背索固定2.6材料截面選

18、擇本次比賽提供了豐富的竹材原料一一竹皮與竹條，可組合成較多的截面尺寸，因此對于不同位置的桿件可合理選擇其截面，充分發(fā)揮材料的作用。所提供材料及其尺寸如下表：表1材料規(guī)格表 竹材規(guī)格竹皮1250mrK 430mm< 0.50mm1250mrK 430mnh< 0.35mm1250mrK 430mnh< 0.20mm竹條900mrK 6mm< 1mm900mrK 2mm< 2mm900mrK 3mm< 3mm經(jīng)過實際實驗，理論計算，模型的構建截面形式與模型材料表如下:截面規(guī)格截面實體效果圖SB3X 3H6X 6.7 X 0.35 X0.35T6X 6.35 X

19、0.35截面尺寸TP6X 6.7 X 0.35X 0.35 X 3.18 X0.35L3X 0.2L6X 0.2表3下料長度序號構件材料截面規(guī)格下料長度數(shù)量1竹條SB2*2310422854327044260452504676477048694960401035411326122941327614224151961617417101018SB3*3350420330421SB6*160122竹皮TP6*7*0.35362223345224340225313226L7*0.351250227430428410229370230L8*0.35700431L6*0.351200232L6*0.21200233L5*0.35550434L5*0.2550435L4*0.351200236L3*0.351250137L2*0.35800253842013第三章總結與感悟隨著人類的各種活動，水資源環(huán)境明顯惡化，全球目前有 14%上的水體約 5 1012 m3受到污染。水資源短缺已成為全球性的問題，在亞洲有60%勺地區(qū)缺水；在非洲連年干旱有85%勺地區(qū)缺水，缺水已直接威脅到了生存；美洲、歐洲 出現(xiàn)用水緊張的現(xiàn)象，現(xiàn)今全球有 80多個國家正面臨