第十四届同济大学结构设计大赛计算书 - 图文

同济大学 力战到底队

结构赛计算书

第十四届同济大学结构设计大赛

郭弘原1151018 孙磊 1151406 黄河 1151513

2013

结构赛计算书

目录

一、设计说明 ................................................................................................................................................................ 2

1、方案构思 ........................................................................................................................................................ 2 2、结构选型 ........................................................................................................................................................ 2

2.1材料截面选择 ..................................................................................................................................... 3 2.2节点设计 .............................................................................................................................................. 3

二、方案设计 ................................................................................................................................................................ 4

1.几何模型 ............................................................................................................................................................ 4 2.材料特性 ............................................................................................................................................................ 4 3.杆件截面特性 .................................................................................................................................................. 5 三、负载模式 ................................................................................................................................................................ 7

1. 竖向静力加载 ............................................................................................................................................ 7 2. 水平向静力加载 ....................................................................................................................................... 7 3. 水平向冲击加载 ....................................................................................................................................... 7 五、结构计算结果 ...................................................................................................................................................... 7

1. 变形形状 ...................................................................................................................................................... 8 2. 节点位移 ...................................................................................................................................................... 8 3. 杆件内力 ...................................................................................................................................................... 9

1) 轴力、剪力 ....................................................................................................................................... 9 2) 弯矩 ................................................................................................................................................... 16 4. 板块内力 ................................................................................................................................................... 22 5. 地基沉降 ................................................................................................................................................... 23 六、结构分析总结 ................................................................................................................................................... 24

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一、设计说明

根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性，冲击荷载形式和静力加载大小要求等方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的白卡纸，白乳胶精心设计制作了“力战到底”结构模型，空间桁架结构为该模型的一大亮点。

1、方案构思

模型主要承受150N竖直静荷载、30N水平静荷载和一定的水平冲击荷载，竖直静荷载较容易满足，而水平冲击荷载结构的刚度要求较高，同时要求结构有较强的抗剪能力。

（1）本结构主要构思是想利用两榀刚架连接后形成的立方体结构来抵抗荷载的作用

（2）设计的总原则是：尽可能的利用竖向支撑的四根承重柱来提高柱子的承载力而在柱子之间辅以交叉的斜撑来稳定结构，并利用白卡纸优良的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。

2、结构选型

我们选择三角形为结构单元，受力均匀，便于白卡纸性能的发挥，我们以空间刚架的结构为主导。整体外形为立方体刚架，节点间有斜撑连接，基础选择为筏型基础。

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2.1材料截面选择

主体承重柱子截面为四根10mm*10mm双层方筒和15*15双层方筒的杆件粘接而成，保证抗压的同时减轻材料的质量。10*10的两个直角三角形拼接而成的斜撑稳定性较好，节省材料，整体稳定。底部筏型基础的梁也采取15*15双层方筒的杆件。

2.2节点设计

主体框架结构相交的节点由于杆的倾斜在加动载和静载时会引起较大的剪力，在连接时用加长杆件的长度，多余部分裁剪合适造型粘接另一杆件来加大节点强度，从而在结构受力计算时一些节点模拟成刚节点。

斜撑相交时，将斜撑直接搭接，并用小片的纸张辅以白乳胶粘接，避免直接穿插的榫接节点破坏材料的局部力学特性。

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二、方案设计

1.几何模型

2.材料特性

层数 1 230克白卡纸 2 148.2 弹性模量(MPa) 56.9 7.5137E-06 7.6618E-10 名称种类 重量密度N/mm3 质量密度N-s2/mm4

对象类型 框架 板块

总数 73 3

总长 MM 11600.59

总重N 3.41 6.01

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由图表得知第一次加载时，所有杆件弯矩中，最大不超过1.55N*mm。

第二次加载时，所有杆件弯矩中，最大不超过455.19 N*mm。 第三次加载时，所有杆件弯矩中，最大不超过1062.09 N*mm。

4. 板块内力

Element Forces - Area Shells, Part 1 of 3 Area 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3

Element Forces - Area Shells, Part 2 of 3 Area 1 1 1 1 2 2 2 AreaElem 1 1 1 1 2 2 2 Joint 34 36 32 29 26 28 24 OutputCase TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST M11 N-mm/mm2 -0.32 -0.55 0.24 0.47 -0.25 -0.41 0.24 M22 N-mm/mm2 0.24 -0.55 -0.32 0.47 0.24 -0.41 -0.25 M12 N-mm/mm2 -1.808E-03 4.125E-04 -1.808E-03 -4.028E-03 -1.026E-03 1.011E-02 -1.026E-03 AreaElem 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 Joint 34 36 32 29 26 28 24 21 18 20 16 13 OutputCase TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST F11 N/mm2 -3.709E-02 0.39 0.26 -0.17 -8.133E-04 1.375E-03 7.184E-04 -1.470E-03 -2.767E-02 0.40 0.27 -0.16 F22 N/mm2 0.26 0.39 -3.709E-02 -0.17 7.184E-04 1.375E-03 -8.133E-04 -1.470E-03 0.27 0.40 -2.767E-02 -0.16 F12 N/mm2 5.291E-02 0.10 5.291E-02 3.863E-03 1.207E-04 -2.241E-03 1.207E-04 2.482E-03 3.588E-07 4.574E-02 3.588E-07 -4.574E-02 [页码] 22 结构赛计算书

2 3 3 3 3

2 3 3 3 3 21 18 20 16 13 TEST TEST TEST TEST TEST 0.41 -0.44 -0.81 0.44 0.81 0.41 0.44 -0.81 -0.44 0.81 -1.216E-02 -2.951E-04 1.568E-03 -2.951E-04 -2.158E-03 Element Forces - Area Shells, Part 3 of 3 Area 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 AreaElem 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 Joint 34 36 32 29 26 28 24 21 18 20 16 13 OutputCase TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST TEST V13 N/mm2 3.898E-03 3.938E-03 3.938E-03 3.898E-03 3.220E-03 3.224E-03 3.224E-03 3.220E-03 6.228E-03 6.208E-03 6.208E-03 6.228E-03 V23 N/mm2 3.938E-03 3.938E-03 3.898E-03 3.898E-03 3.224E-03 3.224E-03 3.220E-03 3.220E-03 6.208E-03 6.208E-03 6.228E-03 6.228E-03 板在第三次加载时，受力最大，所以取此实验结果分析，单位轴力不大于0.41N/MM2，单位弯矩不超过0.81N*mm/mm2

5. 地基沉降

将方形基础假设为绝对刚性考虑深度较浅，采用弹性理论分析计算：

——泊松比，取0.2

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——沉降系数，方板块取0.88 b——基础载荷板的宽度0.25m ——竖向载荷强度

E——查阅资料得干黄砂变形模量取36MPa 所以得S=

即使考虑基础并非绝对刚性，但因数量级太小暂不考虑捣实的干黄砂沉降量。 六、结构分析总结

1、本结构主要是利用两榀桁架的承重柱的轴力来抵抗竖向荷载的作用；

2、本结构利用交叉的斜撑来提高柱子的承载力，并利用白卡纸的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用；

3、根据SAP2000建模分析的结论，我们选择三角形作为刚架单元，整体为立方体。受力均匀，加载方便；

4、选用筏型基础，基础内部有两层波浪形白卡纸，增加基础的承载能力；

5、结构模仿实际工程，层与层之间采用圈梁加固，增强抗震性和稳定性。

7、根据SAP2000建模分析的结论，我们加强顶部和支座处节点强度。

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