結(jié)構(gòu)力學(xué)紙結(jié)構(gòu)電算書

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)綜合訓(xùn)練紙結(jié)構(gòu)計算書 教學(xué)單位 專 業(yè) 班 級 組 員 指導(dǎo)教師 1、設(shè)計說明31.1設(shè)計題目與要求31.2方案構(gòu)思41.3結(jié)構(gòu)體系42、計算設(shè)計52.1材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)52.2、計算簡圖62.3、靜力分析62.4、動力分析73、結(jié)構(gòu)94、幾何信息105、荷載信息205.1、(恒、活、風(fēng))節(jié)點、單元荷載信息206、總結(jié)216.1結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)缺點分析216.2心得體會221、設(shè)計說明1.1設(shè)計題目與要求設(shè)計題目：多層結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作設(shè)計要求：根據(jù)競賽規(guī)則要求，我們從模型的用材特性、加載形式和制作方便程度方面出發(fā)，結(jié)合節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)美觀，承載力強(qiáng)等特點，采用比賽提供的白卡紙

2、材料，乳膠作為粘結(jié)劑，精心設(shè)計制作了該大跨結(jié)構(gòu)模型。本次多層結(jié)構(gòu)模型為了滿足建筑使用要求建筑使用要求：樓面層滿足基本的建筑使用要求，應(yīng)具有足夠的承載剛度，樓面層配重放置于樓面幾何中心處。理論方案應(yīng)包括：設(shè)計說明書、方案圖和計算書。設(shè)計說明書應(yīng)包括對方案的構(gòu)思、造型和結(jié)構(gòu)體系及其他有特色方面的說明；方案圖應(yīng)包括結(jié)構(gòu)整體布置圖、主要構(gòu)件詳圖和方案效果圖；計算書應(yīng)包括結(jié)構(gòu)選型、計算簡圖、荷載分析、內(nèi)力分析、承載能力估算等。在決賽整個加載過程中，盡量避免出現(xiàn)以下情況：(1)模型任何構(gòu)件出現(xiàn)明顯失穩(wěn)或連接破壞;(2)配重或撞擊板脫落;(3)測點位移大于80mm或者測點脫離預(yù)先黏貼紙靶(50mm×

3、;50mm);(4)測試完成后，測點1或2處結(jié)構(gòu)殘余變形大于35mm。1.2方案構(gòu)思根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)書和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)則要求，我們從模型的用材特性、加載形式和制作方便程度方面出發(fā)，結(jié)合節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)美觀，承載力強(qiáng)等特點，采用比賽提供的白卡紙材料，乳膠作為粘結(jié)劑，在模型內(nèi)部，樓層之間（底部吊腳層除外）不能設(shè)置任何妨礙房屋使用功能（指建筑使用空間要求）的構(gòu)件。模型為多層結(jié)構(gòu)模型，在上層頂部承受鋼托盤與配重鋼塊的質(zhì)量之和約為10kg。安裝于一層樓面的加載裝置質(zhì)量，約為2kg3kg。同時在模型一層樓面進(jìn)行具有一定沖擊能量小球撞擊，結(jié)構(gòu)整體會受到瞬間應(yīng)力，容易造成失穩(wěn)，所以模型必須要有足夠的剛度來抵抗，在側(cè)面加

4、斜杠輔助受力起到能傳遞和分散力的作用。本結(jié)構(gòu)主要構(gòu)思是想利用白卡紙的抗拉性能在后面承受拉力作用。用矩形立柱和斜梁承受壓力和彎矩。其次，盡可能把節(jié)點設(shè)計成鋼節(jié)點，并利用白卡紙的特性來進(jìn)行節(jié)點外圍的加固，以此來達(dá)到承受并抵消外部荷載的作用。1.3結(jié)構(gòu)體系1、主體為框架結(jié)構(gòu)體系：梁、柱和斜桿的組合，作為該大跨結(jié)構(gòu)模型的壓彎系統(tǒng)，承擔(dān)結(jié)構(gòu)的整體受彎、受壓和抗剪；圓形柱承受結(jié)構(gòu)豎向荷載；斜桿承受結(jié)構(gòu)的抗拉和抗壓。2、節(jié)點設(shè)計將橫梁和中間柱的接頭做成T型接頭與柱和梁連接；將柱刻槽與主梁和底座連接，再在相交處塞入實心圓柱來增大接觸面積；用Y型實心接頭連接斜桿與主梁。斜桿與底座和主梁的交接處，將斜桿切斜面，粘

5、結(jié)在一起，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。側(cè)面連接以斜桿連接，構(gòu)成三角形，從而達(dá)到減震裝置，整個側(cè)面的斜撐桿呈弓形，把側(cè)面分解成三角形，其作用分別是分解來自撞擊點和撞擊面的沖擊力和使結(jié)構(gòu)軸向與橫向竟可能保持穩(wěn)定減小撞擊位移。連續(xù)斜桿三角形方案，由于在端部加荷載，會導(dǎo)致底部和加載位置產(chǎn)生較大的彎矩，考慮作用力很大，不容易與底部連接等因素，綜上所述選用選用連續(xù)三角型模型，并在局部進(jìn)行部分加固，以達(dá)到在小球滾下時較大的沖擊力的情況下，使其位移盡可能減小，所以，在考慮結(jié)構(gòu)重量及剛度，強(qiáng)度，穩(wěn)定性等方面的影響，最終將方案定為四根主桿作支撐，中間用短桿連接形成多個三角形的桁架模型。3、創(chuàng)意特色第一，節(jié)點的處理采用交叉黏貼

6、的方式，并運(yùn)用紙條進(jìn)行外側(cè)加固，使得節(jié)點更加牢固，更加符合剛節(jié)點的特點。第二，進(jìn)行空間桁架進(jìn)行支撐，在保證美觀的同時，能夠均勻受力，并且大大減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。第三，粗細(xì)桿交叉使用，盡可能在受力較大的地方使用剛度較大的桿件，受力小的地方使用剛度較小的桿件，從而也減輕的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在制作過程中使模型整體向上微拱，使梁盡可能受壓力而少受彎，有利于梁的穩(wěn)定和減少撓度。第四，在結(jié)構(gòu)制作完成后，在結(jié)構(gòu)的表面刷上一層薄薄的乳膠，這樣既可以增加材料的抗彎性能，還可以使材料本身的一些缺陷、小裂紋等粘和起來，避免其成為應(yīng)力集中點，或周期載荷的破壞起始點。2、計算設(shè)計2.1材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)提供的材料為230克巴西白

7、卡紙，其力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1和2所示：表1.彈性模量名稱種類層數(shù)彈性模量（Mpa）230克巴西白卡紙156、92148、2表2.極限應(yīng)力名稱類型層厚（mm）拉應(yīng)力（N/mm2)壓應(yīng)力（N/mm2)230克巴西白卡紙0、322、27、02.2、計算簡圖基本假定：（1）橫梁和斜撐與柱的連接都視為剛性連接，結(jié)構(gòu)視為桁架結(jié)構(gòu);（2）所有桿件視為各向同性彈性體；（3）鋼球與軌道摩擦力為零，沖擊時間為0.01s。2.3、靜力分析1、橫梁強(qiáng)度驗算豎向重物：重物直接作用在頂層兩根橫梁上，可看成均布荷載，則每根梁上線荷載為：橫梁跨中最大彎矩：橫梁截面抵抗矩為：橫梁最大拉應(yīng)力為：該計算結(jié)果表明橫梁截面強(qiáng)度不滿足要求

8、，但考慮到橫梁與柱粘結(jié)節(jié)點與假定鉸接還有一定差距，如果該處假定為剛接，這跨中彎矩減少一半，因此該處可以乘以一個系數(shù)0.75。，滿足要求。2、斜撐軸力底層交叉斜撐壓桿軸力最大，該斜撐桿采用雙層卡紙卷制。則柱截面壓應(yīng)力為，滿足要求。3、橫梁彎矩由于我們將模型簡化為桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件內(nèi)部不存在彎矩，只是頂層橫梁出現(xiàn)彎矩，查看彎矩計算結(jié)果，增加水平荷載對結(jié)構(gòu)彎矩影響不大，這里就不再驗算。4、結(jié)構(gòu)位移對比兩種節(jié)點結(jié)構(gòu)變形圖，發(fā)現(xiàn)剛接的更接近現(xiàn)實模型加載變形，不過二者最大位移差不多。計算最大位移為80mm，結(jié)果偏大，與試驗得到的差距較大。分析原因，結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器只能計算二維桿件，而我們的模型是空間結(jié)構(gòu)，整體剛

9、度較二維桿件會有很大提高，因此位移計算結(jié)果不準(zhǔn)確。模型計算可以發(fā)現(xiàn)：1、軸力：結(jié)構(gòu)的四根主桿受軸力最大，其他連接桿微小突變。要是結(jié)構(gòu)能夠承受10kg的荷載，必須將四根桿直立連接，不能有晃動。2、彎矩：在小球撞擊加載處，產(chǎn)生較大的彎矩，也是整個結(jié)構(gòu)重點連接和加固的地方。采用短桿桁架連接，可以有效的抵抗彎矩和維持平衡。2.4、動力分析考慮到所學(xué)力學(xué)知識有限，我們將動力分析轉(zhuǎn)換為靜荷載加載在模型上，來求水平位移。根據(jù)加載條件，利用物理能量守恒等原理，我們進(jìn)行如下計算。鉛球下落總動能：水平動能分量：下落后鉛球水平速度為：根據(jù)碰撞定理：，假定撞擊后鉛球靜止，撞擊時間為0.02s，則沖擊力為，單榀桁架受力

10、利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計算單榀桁架內(nèi)力及位移。柱截面性質(zhì)：橫梁和斜撐截面性質(zhì)：3、結(jié)構(gòu)單元編號圖4、幾何信息各節(jié)點信息如下表：節(jié)點號x坐標(biāo)(m)y坐標(biāo)(m)z坐標(biāo)(m)x向約束y向約束z向約束繞x約束繞y約束繞z約束10.1100.0000.78020.2170.0001.00030.1340.0000.56040.2170.0000.56050.1100.2170.78060.2170.2171.00070.1340.2170.56080.2170.2170.56090.0000.2170.340100.1150.2170.248110.2170.2170.140120.1320.2170.14

11、0130.2170.2170.000140.0000.0000.000150.2170.0000.340160.0000.1091.000170.0000.2170.900180.0000.0000.900190.2170.1091.000200.2170.2170.900210.2170.0000.900220.0000.0000.340230.1150.0000.248240.2170.0000.140250.1320.0000.140260.2170.0000.000270.2170.0000.780280.0000.0000.140290.0000.0000.560300.0000.0

12、000.780310.0000.0001.000320.0000.2171.000330.0000.2170.780340.0000.2170.560350.0000.2170.140360.0000.2170.000370.2170.2170.780380.2170.2170.340390.0500.0000.560400.0500.2170.560410.2110.2170.560各單元信息如下表：單元號截面名稱長度(m)面積(mm2)繞2軸慣性矩(x104mm4)繞3軸慣性矩(x104mm4)繞2軸計算長度系數(shù)繞3軸計算長度系數(shù)小節(jié)點釋放大節(jié)點釋放1梁250x100x4x60.24521

13、5210022361.0001.000-2梁250x100x4x60.221215210022361.0001.000-3梁250x100x4x60.245215210022361.0001.000-4梁250x100x4x60.245215210022361.0001.000-5梁250x100x4x60.221215210022361.0001.000-6梁250x100x4x60.245215210022361.0001.000-7梁250x100x4x60.257215210022361.0001.000-8梁250x100x4x60.309215210022361.0001.000-

14、9梁250x100x4x60.147215210022361.0001.000-10梁250x100x4x60.149215210022361.0001.000-11梁250x100x4x60.240215210022361.6831.000-12梁250x100x4x60.164215210022362.4631.000-13梁250x100x4x60.403215210022361.0001.000-14梁250x100x4x60.403215210022361.0001.000-15梁250x100x4x60.148215210022361.0001.000-16梁250x100x4x6

15、0.148215210022361.0001.000-17梁250x100x4x60.148215210022361.0001.000-18梁250x100x4x60.148215210022361.0001.000-19梁250x100x4x60.257215210022361.0001.000-20梁250x100x4x60.309215210022361.0001.000-21梁250x100x4x60.149215210022361.0001.000-22梁250x100x4x60.147215210022361.0001.000-23梁250x100x4x60.24021521002

16、2361.6831.000-24梁250x100x4x60.164215210022362.4631.000-25梁250x100x4x60.100215210022360.7101.651-26梁250x100x4x60.120215210022360.5691.376-27梁250x100x4x60.220215210022360.5520.816-28梁250x100x4x60.220215210022360.5360.854-29梁250x100x4x60.200215210022360.8860.794-30梁250x100x4x60.140215210022361.2660.768

17、-31梁250x100x4x60.140215210022361.2660.829-32梁250x100x4x60.200215210022360.8860.764-33梁250x100x4x60.220215210022360.5400.742-34梁250x100x4x60.220215210022360.5520.786-35梁250x100x4x60.120215210022360.5691.418-36梁250x100x4x60.100215210022360.7101.701-37梁250x100x4x60.100215210022360.7101.701-38梁250x100x4

18、x60.120215210022360.5691.418-39梁250x100x4x60.220215210022360.5520.786-40梁250x100x4x60.220215210022360.5360.742-41梁250x100x4x60.200215210022360.8860.764-42梁250x100x4x60.140215210022361.2660.829-43梁250x100x4x60.100215210022360.7101.651-44梁250x100x4x60.120215210022360.5691.376-45梁250x100x4x60.220215210

19、022360.5520.826-46梁250x100x4x60.220215210022360.5400.863-47梁250x100x4x60.200215210022360.8860.794-48梁250x100x4x60.140215210022361.2660.768-49梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-50梁250x100x4x60.109215210022362.0001.000-51梁250x100x4x60.109215210022362.0001.000-52梁250x100x4x60.217215210022361.0001.0

20、00-53梁250x100x4x60.109215210022362.0001.000-54梁250x100x4x60.109215210022362.0001.000-55梁250x100x4x60.110215210022361.9731.000-56梁250x100x4x60.107215210022362.0281.000-57梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-58梁250x100x4x60.107215210022362.0281.000-59梁250x100x4x60.110215210022361.9731.000-60梁250x100

21、x4x60.217215210022361.0001.000-61梁250x100x4x60.050215210022364.3402.670-62梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-63梁250x100x4x60.050215210022364.2202.670-64梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-65梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-66梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-67梁250x100x4x60.2172152

22、10022361.0001.000-68梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-69梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-70梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-71梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-72梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-73梁250x100x4x60.132215210022361.6441.000-74梁250x100x4x60.085215210022362.5531

23、.000-75梁250x100x4x60.085215210022362.5531.000-76梁250x100x4x60.132215210022361.6441.000-77梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-78梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-79梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-80梁250x100x4x60.217215210022361.0001.000-81方100x2.50.0779481481481.0001.000-82方100x2.50.0849481481481.5991.599-83方100x2.50.0849481481482.5991.599-84方100x2.50.0849481481482.5991.000-5、荷載信息結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.005.1、(恒、活、風(fēng))節(jié)點、單元荷載信息1.節(jié)點荷載*以下為節(jié)點荷載匯總表:單位：力(kN)；彎距(kN.m)第0工況節(jié)點荷載表節(jié)點號PxPyPzMxMyMz20.00.0-16.70.00.00.060.00.0-16.70.00.00.0160.00.0