1、第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽西安科技大學建筑與土木工程學院指導(dǎo)老師：柴生波鄭選榮隊長:賀鵬隊員：呂伍楊陳梓新結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽計算書一、設(shè)計說明2二、結(jié)構(gòu)選型2三、模型假設(shè)2四、結(jié)構(gòu)建模與主要計算參數(shù)3五、受荷分析55.1 受力分析55.1.1 方案一55.1.2 方案二95.2 穩(wěn)定分析13六、節(jié)點構(gòu)造20七、模型加工圖及材料表21一、設(shè)計說明根據(jù)大賽規(guī)則要求，我們從結(jié)構(gòu)形式所體現(xiàn)由的簡潔明快的風格的基礎(chǔ)上根據(jù)紙的一些力學性質(zhì)，充分考慮結(jié)構(gòu)的整體受力情況；最終我們從受力最好的最簡單的三角形入手。結(jié)構(gòu)的整體外型是雙層“w”形，在粘接踏板后，結(jié)構(gòu)主體框架多為三角形，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時為提高結(jié)構(gòu)的

2、的承載力，恰當?shù)卦谥饕Q向承載部位采用實心桿件，并用截面尺寸較小的細桿將其中部相連，提高其抗彎性能，盡量避免結(jié)構(gòu)因失穩(wěn)而發(fā)生破壞。二、結(jié)構(gòu)選型由于三角形具有較強的穩(wěn)定性，而且在平面上容易找平，我們選擇三角形為主體結(jié)構(gòu)框架。桁架受力均勻簡單，僅受軸力受力明確，相互協(xié)調(diào)性好，便于材料性能的發(fā)揮，理論上應(yīng)優(yōu)先采用空間桁架結(jié)構(gòu)，但由于在結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)桿件絞接十分困難，且難以保證節(jié)點處的強度。所以最終結(jié)構(gòu)中的節(jié)點均采用剛節(jié)點。剛節(jié)點的弊端是傳遞彎矩，削弱了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但這一缺點可以通過添加垂直于桿件軸向的支撐，來提高其穩(wěn)定性和承載力。同時，剛節(jié)點抗變形能力強,承載能力大，對于抵抗動荷載的破壞十分有幫助。三

3、、模型假設(shè)1 .假設(shè)桿件材料連續(xù)均勻2 .假設(shè)踏板具有一定剛度，上部荷載通過踏板均勻傳遞到粘接在踏板下部的三根橫梁上。四、結(jié)構(gòu)建模與主要計算參數(shù)在經(jīng)過初步構(gòu)思和設(shè)計后，首先建立了一個基本模型（模型一，模型結(jié)構(gòu)簡單輕巧，但考慮到在繞桿過程中，結(jié)構(gòu)須承受側(cè)向切應(yīng)力，又在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上進行了改進、加固，即在結(jié)構(gòu)前后兩個矩形的一條對角線上各添加一根斜向桿件，同時，為防止原有斜桿因變形過大而破壞，在斜向桿構(gòu)成的三角形中位線位置添加一根水平桿件，得到了模型二。圖4-1模型一圖4-2模型二圖4-3表4-1模型桿件尺寸表編號尺寸備注1、2、3、4、5、6、7模擬踏板實際不存在8、9、10、11284mm5mm

4、5mm12、13、14、15284mm6mm6mm16、17321mm5mm5mm18、19、20、21100mm4mm4mm22、23150mm4mm2.5mm24、25200mm5mm2.5mm五、受荷分析5.1 受力分析在自重和和由腳傳給結(jié)構(gòu)的靜力荷載工作作用下的結(jié)構(gòu)受力如下。5.1.1 方案一荷載考慮了結(jié)構(gòu)自重和由腳傳給結(jié)構(gòu)的靜力荷載（其構(gòu)件及布載見圖5-1）。圖5-1由腳傳給結(jié)構(gòu)的靜力荷載加載圖示/kN.1軸力圖5-2軸力圖/N由圖1-2可以看出，在自重和人荷載作用下，該構(gòu)件的側(cè)面承受的軸力最大，為134N;腳底中間的四根斜桿承受的軸力為67N;該構(gòu)件頂部桿件出現(xiàn)47.3N的軸力，其

5、余桿件軸力幾乎為零。.2彎矩圖5-3彎矩My/N-cm由圖1-3可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的上部三根橫桿承受彎矩My作用，最大達到331Ncm。14211&00&43913S3,&4-90-116-142圖5-4彎矩Mz/N-cm由圖1-4可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的側(cè)面八根斜桿承受彎矩Mz作用，最大達到142Ncm。.3剪力圖5-5剪力Fz/N5加r12S102的57三。11'57-SO-1C2T婁C0!白魚+上期就由圖1-5可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的頂面圖5-6剪力Fy/NCE:自更千人新盛三根橫桿承受豎向剪

6、力，最大為125N由圖1-6可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的側(cè)面斜桿承受橫向剪力，最大為6No.4扭矩LS13iO*7-101316圖5-7扭矩Mx/N-cm由圖1-7可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的中間斜桿的上半部分承受的扭矩最大，為16Ncm。5.1.2方案二荷載考慮了結(jié)構(gòu)自重和由腳傳給結(jié)構(gòu)的靜力荷載.1軸力圖5-8軸力圖/N由圖2-2可以看出，在自重和人荷載作用下，該構(gòu)件的側(cè)面承受的軸力最大，為132N;腳底中間的四根斜桿承受的軸力為67N;該構(gòu)件頂部桿件出現(xiàn)46N的軸力，其余桿件軸力幾乎為零。圖5-9彎矩My/N-cm由圖5-9可以看出，在自重和人荷載作用下，主

7、要是構(gòu)件的上部10三根橫桿承受彎矩My作用，最大達到286N-cm5-10彎矩Mz/N-cm由圖5-10可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的側(cè)面八根斜桿承受彎矩Mz作用，最大達到134Ncm。圖5-11剪力Fz/N由圖5-11可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的頂面三根橫桿承受豎向剪力，最大為130No11圖5-12剪力Fy/N-5-6CB：自更十人癇歌由圖5-12可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的側(cè)面斜桿承受橫向剪力，最大為7No.4扭矩圖5-13扭矩Mx/N-cm2521U11-2-711T占明-25由圖5-13可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構(gòu)件的中12間

8、斜桿的上半部分承受的扭矩最大，為25Ncm。5.2穩(wěn)定分析5.2.1 基本原理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題與強度問題有同等重要的意義。高強、薄壁和纖細結(jié)構(gòu)的采用，使穩(wěn)定性顯得更加重要。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指在外力作用下結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)開始喪失穩(wěn)定性，稍有擾動則變形迅速增大，最后使結(jié)構(gòu)遭到破壞。失穩(wěn)可以分為兩大類：第一類叫做平衡分支問題，即達到臨界荷載時，若干擾使結(jié)構(gòu)發(fā)生微小位移，則在取消干擾后，結(jié)構(gòu)將停留在位移后的位置上而不能回到原來的位置。此時結(jié)構(gòu)的平衡已開始成為不穩(wěn)定的，出現(xiàn)了平衡形式的分支，即結(jié)構(gòu)可以具有原來的平衡形式，也可以具有新的平衡形式。稱這種現(xiàn)象為喪失了第一類穩(wěn)定性，或稱為分支點失穩(wěn)。此時相應(yīng)的荷載稱為臨

9、界荷載,他是使結(jié)構(gòu)原有平衡形式保持穩(wěn)定的最大荷載，也是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的平衡形式的最小荷載。喪失第一類穩(wěn)定的特征是：結(jié)構(gòu)的平衡形式即內(nèi)力和變形狀態(tài)發(fā)生質(zhì)的突變，即原有的平衡形式成為不穩(wěn)定的，同時出現(xiàn)新的有質(zhì)的區(qū)別的平衡形式。第二類失穩(wěn)是結(jié)構(gòu)保持一個平衡狀態(tài)，隨著荷載的增加在應(yīng)力比較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，結(jié)構(gòu)的變形很快增大。當荷載達到一定的數(shù)值時，即使不再增加，結(jié)構(gòu)變形也持續(xù)增大而至于使結(jié)構(gòu)破壞，這種現(xiàn)象成為結(jié)構(gòu)喪失第二類穩(wěn)定性，或稱為極值點失穩(wěn)。喪失第二類穩(wěn)定的特征是：結(jié)構(gòu)平衡形式并不發(fā)生質(zhì)變，變形按原有的形式迅速增長，以致使結(jié)構(gòu)喪失承載能力。13第一類穩(wěn)定分析用于預(yù)測一個理想彈塑性結(jié)構(gòu)的理論失穩(wěn)

10、強度（歧點），例如一根理想中心壓桿的第一類失穩(wěn)分析的結(jié)果將與經(jīng)典歐拉解相匹配。由于初始缺陷以及非線性的影響，使得很多實際結(jié)構(gòu)都不在其理論彈性失穩(wěn)強度處發(fā)生失穩(wěn)，因此，第一類穩(wěn)定分析經(jīng)常產(chǎn)生非保守結(jié)果。但是，由于第一類穩(wěn)定分析的力學情況比較單純明確，在數(shù)學上求特征值問題也比較容易處理，所以在理論分析中仍占有重要地位O在應(yīng)用有限元法進行穩(wěn)定性或承載能力分析時，相應(yīng)的安全系數(shù)可采用以下定義方法：PcrPdcrPa（4.1）式中：Pcr為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破壞時所能承受的全部荷載；Pa為在結(jié)構(gòu)承受的全部荷載中，關(guān)心荷載對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或承載能力的安全儲備；*為在結(jié)構(gòu)承受的全部荷載中，除關(guān)心荷載以外的其它所有荷載（

11、計算中其大小保持不變）。顯然，cr就是承重結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破壞前可承受關(guān)心荷載的倍數(shù)。在PcrPdcrPa中，令Pd=0,Pa=恒載+其他關(guān)心荷載，即所求的cr是針對（恒載+其他關(guān)心荷載）的穩(wěn)定系數(shù)。5.2.2 第一類穩(wěn)定分析結(jié)果以下給出最不利的工況組合（自重+人荷載作用）的第一類穩(wěn)定分析結(jié)果。14.5方案一圖5-14第1階失穩(wěn)模態(tài),入=1.302183圖5-15第2階失穩(wěn)模態(tài)，入=2.76101715圖5-16第3階失穩(wěn)模態(tài)，入=2.89082216圖5-18第5階失穩(wěn)模態(tài)，入=3.803893.6方案二圖5-19第1階失穩(wěn)模態(tài)，入=1.497251圖5-20第2階失穩(wěn)模態(tài)，入=1.6362061

12、7圖5-21第3階失穩(wěn)模態(tài),入=1.749105圖5-22第4階失穩(wěn)模態(tài),入=1.87062818圖5-23第5階失穩(wěn)模態(tài)，入=2.4131315.2.3 方案對比?從受力方面看，兩種方案的受力效應(yīng)相差不大。?從穩(wěn)定性方面看，由于構(gòu)件的穩(wěn)定性由第一階失穩(wěn)控制，從穩(wěn)定分析結(jié)果可以看出，方案一的一階失穩(wěn)特征值入=1.302183,方案二的一階失穩(wěn)特征值入=1.497251,方案二的穩(wěn)定性要優(yōu)于方案一的穩(wěn)定性。綜合考慮，確定方案二為最終方案。19六、節(jié)點構(gòu)造圖6-1四根桿件連接結(jié)點圖6-2斜桿加固圖6-3五根桿件連接結(jié)點圖6-4三根桿件連接結(jié)點以上均為實際結(jié)點的圖片，在計算過程中均按固定結(jié)點計算20七、模型加工圖及材料表圖7.1裁剪過的竹皮紙圖