1、辽宁工程技术大学结构力学综合训练纸结构计算书教学单位 专 业 班 级 组 员 指导教师 1、设计说明 31.1 设计题目与要求 31.2 方案构思 41.3 结构体系 42、计算设计 52.1 材料力学性质参数 .52.2、计算简图 .62.3、静力分析 .62.4、动力分析 .73、结构 94、几何信息 105、荷载信息 205.1、 (恒、活、风) 节点、单元荷载信息 .206、总结 216.1 结构设计优缺点分析 .216.2 心得体会 221、设计说明1.1 设计题目与要求设计题目：多层结构模型设计与制作设计要求：根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度方面出发，
2、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材料，乳胶作为粘结剂，精心设计制作了该大跨结构模型。本次多层结构模型为了满足建筑使用要求建筑使用要求：楼面层满足基本的建筑使用要求，应具有足够的承载刚度，楼面层配重放置于楼面几何中心处。理论方案应包括：设计说明书、方案图和计算书。设计说明书应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图；计算书应包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。在决赛整个加载过程中，尽量避免出现以下情况：(1)模型任何构件出现明显失稳或连接破坏;(2)配重或撞击板脱落;(3)测点
3、位移大于 80mm 或者测点脱离预先黏贴纸靶(50mm50mm);(4)测试完成后，测点 1 或 2 处结构残余变形大于 35mm。1.2 方案构思根据训练任务书和结构设计规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度方面出发，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材料，乳胶作为粘结剂，在模型内部，楼层之间（底部吊脚层除外）不能设置任何妨碍房屋使用功能（指建筑使用空间要求）的构件。模型为多层结构模型，在上层顶部承受钢托盘与配重钢块的质量之和约为10kg。安装于一层楼面的加载装置质量，约为 2kg3kg。同时在模型一层楼面进行具有一定冲击能量小球撞击，结构整体会受到
4、瞬间应力，容易造成失稳，所以模型必须要有足够的刚度来抵抗，在侧面加斜杠辅助受力起到能传递和分散力的作用。本结构主要构思是想利用白卡纸的抗拉性能在后面承受拉力作用。用矩形立柱和斜梁承受压力和弯矩。其次，尽可能把节点设计成钢节点，并利用白卡纸的特性来进行节点外围的加固，以此来达到承受并抵消外部荷载的作用。1.3 结构体系1、主体为框架结构体系：梁、柱和斜杆的组合，作为该大跨结构模型的压弯系统，承担结构的整体受弯、受压和抗剪；圆形柱承受结构竖向荷载；斜杆承受结构的抗拉和抗压。2、节点设计将横梁和中间柱的接头做成 T 型接头与柱和梁连接；将柱刻槽与主梁和底座连接，再在相交处塞入实心圆柱来增大接触面积；
5、用 Y 型实心接头连接斜杆与主梁。斜杆与底座和主梁的交接处，将斜杆切斜面，粘结在一起，增强整体稳定性。侧面连接以斜杆连接，构成三角形，从而达到减震装置，整个侧面的斜撑杆呈弓形，把侧面分解成三角形，其作用分别是分解来自撞击点和撞击面的冲击力和使结构轴向与横向竟可能保持稳定减小撞击位移。连续斜杆三角形方案，由于在端部加荷载，会导致底部和加载位置产生较大的弯矩，考虑作用力很大，不容易与底部连接等因素，综上所述选用选用连续三角型模型，并在局部进行部分加固，以达到在小球滚下时较大的冲击力的情况下，使其位移尽可能减小，所以，在考虑结构重量及刚度，强度，稳定性等方面的影响，最终将方案定为四根主杆作支撑，中间
6、用短杆连接形成多个三角形的桁架模型。3、创意特色第一，节点的处理采用交叉黏贴的方式，并运用纸条进行外侧加固，使得节点更加牢固，更加符合刚节点的特点。第二，进行空间桁架进行支撑，在保证美观的同时，能够均匀受力，并且大大减轻了结构的质量。第三，粗细杆交叉使用，尽可能在受力较大的地方使用刚度较大的杆件，受力小的地方使用刚度较小的杆件，从而也减轻的结构的质量。在制作过程中使模型整体向上微拱，使梁尽可能受压力而少受弯，有利于梁的稳定和减少挠度。第四，在结构制作完成后，在结构的表面刷上一层薄薄的乳胶，这样既可以增加材料的抗弯性能，还可以使材料本身的一些缺陷、小裂纹等粘和起来，避免其成为应力集中点，或周期载
7、荷的破坏起始点。2、计算设计2.1 材料力学性质参数提供的材料为 230 克巴西白卡纸，其力学性质参数如表 1 和 2 所示：表 1.弹性模量表 2.极限应力2.2、计算简图基本假定：（1）横梁和斜撑与柱的连接都视为刚性连接，结构视为桁架结构;（2）所有杆件视为各向同性弹性体；（3）钢球与轨道摩擦力为零，冲击时间为 0.01s。2.3、静力分析1、横梁强度验算竖向重物： kg10G重物直接作用在顶层两根横梁上，可看成均布荷载，则每根梁上线荷载为：名称种类 层数 弹性模量（Mpa）1 56、9230 克巴西白卡纸2 148、2名称类型 层厚（mm） 拉应力（N/mm2)压应力（N/mm2)230
8、 克巴西白卡纸0、3 22、2 7、0mN/245.0/8.91q）（横梁跨中最大弯矩：mNlM25.18.0245qax横梁截面抵抗矩为：322.96-bhBHW横梁最大拉应力为：22max /./8.43.951mN该计算结果表明横梁截面强度不满足要求，但考虑到横梁与柱粘结节点与假定铰接还有一定差距，如果该处假定为刚接，这跨中弯矩减少一半，因此该处可以乘以一个系数 0.75。，满足要求。22/./84.1975.024mN2、斜撑轴力底层交叉斜撑压杆轴力最大， 6.98ax该斜撑杆采用双层卡纸卷制。则柱截面压应力为 ，满足要求。222/7/5.36-8mNAN3、横梁弯矩由于我们将模型简化
9、为桁架结构，构件内部不存在弯矩，只是顶层横梁出现弯矩，查看弯矩计算结果，增加水平荷载对结构弯矩影响不大，这里就不再验算。4、结构位移对比两种节点结构变形图，发现刚接的更接近现实模型加载变形，不过二者最大位移差不多。计算最大位移为 80mm，结果偏大，与试验得到的差距较大。分析原因，结构力学求解器只能计算二维杆件，而我们的模型是空间结构，整体刚度较二维杆件会有很大提高，因此位移计算结果不准确。模型计算可以发现：1、轴力：结构的四根主杆受轴力最大，其他连接杆微小突变。要是结构能够承受 10kg 的荷载，必须将四根杆直立连接，不能有晃动。2、弯矩：在小球撞击加载处，产生较大的弯矩，也是整个结构重点连
10、接和加固的地方。采用短杆桁架连接，可以有效的抵抗弯矩和维持平衡。2.4、动力分析考虑到所学力学知识有限，我们将动力分析转换为静荷载加载在模型上，来求水平位移。根据加载条件，利用物理能量守恒等原理，我们进行如下计算。铅球下落总动能： mNmghE76.128.91水平动能分量： h03cos下落后铅球水平速度为： svh /5.4/cs根据碰撞定理： ，假定撞击后铅球静止，撞击时间为 0.02s，则tF冲击力为 ，单榀桁架受力N25N.12/利用结构力学求解器计算单榀桁架内力及位移。柱截面性质：横梁和斜撑截面性质： 22/9.56/.148mEE22 1786AA44443.1-IINE505.
11、8247mI207mNEI3、结构1.2 -1.2-0.10.6-9 1.21.2 -1.20.00.8-0.9.2-0.91.4 -1.51.6-.7 -0.1-0.1 1.5-6 1.0-1.2 2.22.03.00.2-0.6-1.40.2-1.30.2-1.10.2-1.10.2-0.91.3 -1.41.60.0 1.0-.3 0.0-2 0.8-0.7 1.6-0.3.00.00.40.00.2-.2-0.10.0-0.20.60.20.20.1-010.2-0.0.0-0.140.0.0.20.30.20.4030.10.5-0.1-0.20.00.3-0.10.1-0.3-0.
12、30.0000.40.00.3-.1-.1-.40.2.9-0.40.9-.4 0.1.0.10.0.9-.4020.10.20.0.6-04 0. -0.20.0.0.4-0.20.7-0.40.00-0.10.0 0.0.10.0.000.2-0.3 0.50.1-0.2 0.21.7-0.60. -.1-0.80.0 -07-0.2.2-1.10.20.0 0.00.00.00.00.00.00.00.00.1. 0.1.0 -0. 01单元编号图4、几何信息各节点信息如下表：节点号x 坐标(m)y 坐标(m)z 坐标(m)x向约束y向约束z向约束绕x 约束绕y 约束绕z 约束10.11
13、00.0000.78020.2170.0001.00030.1340.0000.56040.2170.0000.56050.1100.2170.78060.2170.2171.00070.1340.2170.56080.2170.2170.56090.0000.2170.340100.1150.2170.248110.2170.2170.140120.1320.2170.140130.2170.2170.000 140.0000.0000.000 150.2170.0000.340160.0000.1091.000170.0000.2170.900180.0000.0000.900190.21
14、70.1091.000200.2170.2170.900210.2170.0000.900220.0000.0000.340230.1150.0000.248240.2170.0000.140250.1320.0000.140260.2170.0000.000 2 0.2 0.0 0.77 17 00 80280.0000.0000.140290.0000.0000.560300.0000.0000.780310.0000.0001.000320.0000.2171.000330.0000.2170.780340.0000.2170.560350.0000.2170.140360.0000.2
15、170.000 370.2170.2170.780380.2170.2170.340390.0500.0000.560400.0500.2170.560410.2110.2170.560各单元信息如下表：单元号截面名称长度(m)面积(mm2)绕2 轴惯性矩(x104mm4)绕3 轴惯性矩(x104mm4)绕2 轴计算长度系数绕3 轴计算长度系数小节点释放大节点释放1梁250x100x4x60.245215210022361.0001.000-2梁250x100x4x60.221215210022361.0001.000-3梁250x100x4x60.245215210022361.0001.0
16、00-4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250x100x4x60.309215210022361.0001.000-9梁250x100x4x60.147215210022361.0001.000-10梁250x100x4x60.149215210022361.0001.000-11梁250x100x4x60.
17、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250x100x4x60.148215210022361.0001.000-17梁250x100x4x60.148215210022361.0001.000-18梁250x100x4x60.1482152100223
18、61.0001.000-19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250x100x4x60.240215210022361.6831.000-24梁250x100x4x60.164215210022362.4631.000-2 梁 0. 2 100 223 0. 1. - -5 250x100x4x6 10
19、0 152 6 710 651 - -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250x100x4x60.140215210022361.2660.768-31梁250x100x4x60.140215210022361.2660.829-32梁250x100x4x60.200215210022360.886
20、0.764-33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250x100x4x60.120215210022360.5691.418-39梁250x100x4x60.220215210022360.5520.786-40梁250x
21、100x4x60.220215210022360.5360.742-41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250x100x4x60.220215210022360.5520.826-46梁250x100x4x60.220215210022360.5400.863-47梁250x100x4x60.2002
22、15210022360.8860.794-48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250x100x4x60.217215210022361.0001.000-53梁250x100x4x60.109215210022362.0001.000-5 梁 0. 2 100 223 2. 1. - -4 250x1
23、00x4x6 109 152 6 000 000 - -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250x100x4x60.217215210022361.0001.000-61梁250x100x4x60.0502152100
24、22364.3402.670-62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250x100x4x60.217215210022361.0001.000-68梁250x100x4x60.217215210022361.0001.00
25、0-69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250x100x4x60.085215210022362.5531.000-75梁250x100x4x60.085215210022362.5531.000-76梁250x100x
26、4x60.132215210022361.6441.000-77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 100x2.50.077948148 1481.0001.000-82方 100x2.50.084948148 1481.5991.599-8 方 100x2.5 0. 9 148 148 2. 1. -
27、 -3 084 48 599 599 - -84方 100x2.50.084948148 1482.5991.000-5、荷载信息结构重要性系数：1.005.1、(恒、活、风)节点、单元荷载信息1.节点荷载*以下为节点荷载汇总表 :单位：力(kN)；弯距(kN.m)第 0 工况节点荷载表节点号Px Py Pz Mx My Mz2 0.0 0.0-16.70.0 0.0 0.06 0.0 0.0-16.70.0 0.0 0.016 0.0 0.0-16.70.0 0.0 0.019 0.0 0.0-16.70.0 0.0 0.031 0.0 0.0-16.70.0 0.0 0.032 0.0 0
28、.0-16.70.0 0.0 0.0第 1 工况节点荷载表节点号Px Py Pz Mx My Mz9 0.0 10. 0.0 0.0 0.0 0.0022 0.010.00.0 0.0 0.0 0.0(1).工况号:0*输入荷载库中的荷载 :序号Px(kN)Py(kN)Pz(kN)Mx(kN.m)My(kN.m)Mz(kN.m)1 0.0 0.0-16.70.0 0.0 0.06、总结6.1 结构设计优缺点分析优势：1、在杆件结构上，我们选用空心杆，以减轻自重。2、在结构构造上，我们选用桁架结构，能够最大限度的利用杆件的极限承载力。3、在节点连接上，我们在十字花连接的基础上，还外加纸带加固，是
29、整个结构的整体性和稳定大大的提高。4、在结构表面涂一层薄薄的乳胶，增加纸张的抗弯性。缺陷：1、外观不够美观，在制作的时候没有注意的胶水硬化变黑的性质。2、在设计上还有些欠缺，有些结构的薄弱点考虑不周到。6.2 心得体会经过几天的共同合作，我们的作品终于成功完成。从开始接到任务、自行结组、购买材料、根据设计要求使用数字软件结构模型、到我们分工做纸杆，几个人熬着夜分工合作把各部分结构做出来再拼接到一起。由于缺乏经验也为了保险起见我们又在侧面多加了几根斜杆，防止在加载过程中出现位移过大等现象。这次综合训练，我认为不光光是对我们所学知识运用的考验，协调合作和对知的灵活运用才是制胜的关键。大家分工合作，齐心协力，遇到困难时不放弃，不断尝试，找到解决问题的方法。遇到瓶颈时不要气馁，有时一瞬间的灵感就可以使问题迎刃而解。每一次的实验与创作都是对实际工程的准备，对于结构设计我们追求的目标是：一切从实际出发，用最简单的构造做最稳定的结构，用最少的材料创造最大的可利用空间，用最少的工程量完成具有最实际利用价值的作品！
