创新设计最终版要点.doc

目 录1设计说明书11.1设计构思11.1.1造型构思11.1. 2结构体系的选择41.1. 3特色说明52 方案图52.1结构整体布置图52.2主要构件详图及节点图62.3 方案效果图83计算书103.1结构计算假定和各个单元物理参数103.1.1计算假定103.1.2构件截面尺寸103.2计算简图113.3静载状况下结构的内力分析113.3.1结构强度计算113.3.2结构刚度计算163.4承载能力验算163.4.1强度验算163.4.2刚度验算173.4.3稳定性验算173.5承载能力的估算183.5.1稳定条件控制的最大承重G1183.5.2强度条件控制下的最大承重G2183.5.3刚度条件控制的最大承重G3183.6破坏形式的估计18附录一结构力学求解器输入源代码19附录二 结构内力输出值21附录三 结构变形输出值221 设计说明书以房屋建筑中的肋形梁楼盖和立柱的设计理念，设计扶壁式挡土墙结构。用柔性的面板和刚性的骨架组成挡墙，以斜向的撑杆替代扶壁，构成由骨架与斜立柱组合的空间体系，给人一种简单而又不失稳重的感觉。1.1 设计构思设计的对象为扶壁式挡土墙，扶壁式挡土墙结构包括围墙和侧撑两部分，如下图所示。扶壁式挡土墙是一种钢筋混凝土薄壁式挡土墙，其主要特点是构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好的发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的地基。适用于缺乏石料及地震地区。一般在较高的填方路段采用来稳定路堤，以减少土石方工程量和占地面积。扶壁式挡土墙，断面尺寸较小，踵板上的土体重力可有效地抵抗倾覆和滑移，竖板和扶壁共同承受土压力产生的弯矩和剪力。 1.1.1造型构思（1） 材料强度分析纸质杆件的抗弯能力最弱，因此，设计时应尽可能降低由荷载产生的弯矩。由表1、表2可看出白卡纸的主要优点是拥有较强的抗拉性能；经试验，白卡纸制成的杆件抗压性能也较强。因此，结构体系的杆件受力应以受拉和受压为主。表1230克白卡纸弹性模量名称种类层数弹性模量(MPa)230克白卡纸156.92148.2表2230克白卡纸极限应力名称类型层厚(mm)拉应力(N/)压应力(N/)备 注230克白卡纸0.322.27.0受压计算时需考虑长细比对稳定的影响（2）结构功能要求设计构思从以下三个角度出发：结构具有足够的强度、刚度、稳定性和抗滑性能；结构实用，美观；结构构件多元化，使之充分利用，降低自重。此外，所设计结构模型必须加载40kg的钢珠，并在丧失承载力前持荷30秒以上（不含30秒）。（3）结构立面形式的选择扶壁式挡土墙，相当于沿墙的长度方向每隔一定距离设置一道扶壁，增强墙面板与墙踵板的连接，以承受较大的弯矩作用，如图1。本结构模型拟设置两排扶壁，由两根斜柱构成（斜柱以纸带连接），斜柱直接撑在墙面主梁上。图1扶壁式挡墙墙面板拟设置成肋梁楼盖型式，如图2。面板通过肋形梁体系将荷载传递给斜柱，最终由斜柱将荷载传到底板。利用肋形骨架增大面板刚度，配合以合理的斜柱撑点使之不会倾覆。图2 肋形梁楼盖结构最重要的功能，就是承受其生命全过程中可能出现的各种作用。因此，在选择结构型式中，为了能满足结构承载能力和抗滑要求，我们经过反复试验和甄选，充分考虑白卡纸的材料性质，以结构功能要求为基本出发点，从多种形式对比中，决定以扶壁式挡墙和肋形梁楼盖作基本形式，再结合梁、柱各自的特点，最终选择斜柱、肋梁面板组成的结构型式。（4）构件截面的选择由白卡纸材料性质及结构的功能要求决定了构件宜以受拉、压为主，而白卡纸的受拉性能较好。因此，构件截面型式的选择应从受压性能最优的截面形式开始考虑。可供选择的常见截面有圆形截面、方形截面、矩形截面等。从圆形、方形、矩形截面中考虑，圆形的受压性能优于方形，方形优于矩形。但是，考虑到模型制作时圆形截面节点的处理难度较大（如图3所示），因此，受压杆件选方形截面为宜。图3 圆形截面杆件连接示意图1.1. 2结构体系的选择结构体系的选择主要考虑结构的整体稳定性和抗滑性能。该体系为图4 所示的斜柱扶壁和由纸膜及骨架组成的墙面板，通过节点处理将两部分构件连为整体，并利用纸带张拉以平衡整个结构。这样，整个结构能够具有较大的强度、刚度、稳定性和以及较好的抗滑性。在侧翼利用2cm的挡板使两翼的面板形成三边支撑的双向板。最终的设计作品如图4。图4结构体系图1.1. 3特色说明(1) 白卡纸薄膜层制作墙面板：白卡纸由3部分组成，将其油性一侧最薄的薄膜层撕开来制作墙面板，墙面板受拉，能充分发挥材料性能且满足要求。(2) 撕纸巧妙：先将白卡纸撕一小角，并用小圆杆卷起，慢慢滚动，再将外表薄膜层撕下，无褶皱、裂痕；(3) 结点加劲：斜撑杆与主梁连接处贴一片白卡纸，增加结点局部刚度和强度；（4）主次梁连接独特：将横次梁在制作之前在特定的位置开口，采用竖主梁贯穿横次梁的原则，以此减少次梁因断开损失的刚度，使主次梁刚度充分体现；2 方案图2.1 结构整体布置图 （a）墙面板正面图（单位：mm） （b）侧立面图图7 结构整体布置（单位：mm）2.2主要构件详图及节点图首先对模型主要构件及关键节点进行编号，如图8所示。图8 构件及节点编号图（1）主要构件详图图9 号杆详图图10 号杆详图图11 号杆详图2.3 方案效果图图12 方案侧面效果图图13 方案正面效果图图14 方案俯视效果图3计算书3.1结构计算假定和各个单元物理参数3.1.1计算假定（1）对节点进行编号(如图15)，单元杆用两节点的数字编号进行表示，如单元杆1,2。（2）该模型中墙面板由斜杆支撑，在由侧向钢珠产生的“土压力”的作用下，为简化计算，将斜杆简化为二力杆进行受力分析。（3）粗砂的重度取20kN/m3，内摩擦角=30o，粘聚力c=0 kPa。（4）为简化计算，将模型按平面结构计算，墙面作用有三角形分布的“土压力”。通过计算可求得底端最大“土压力”为2.667kPa。（5）在模型底部，由于钢珠压力所产生的摩擦力足以保证模型的抗滑要求，对结构模型可以提供水平约束，但是允许墙面板在转角处产生一定转角,故可视为固定铰支座。如图15。3.1.2构件截面尺寸斜撑：矩形，11mm11mm，厚度0.6mm； 主梁：矩形, 10mm10mm，厚度0.3mm；次梁：矩形, 5mm11mm， 厚度0.3mm；三角格构梁：三角形，7mm7mm，厚度0.3mm；3.1.3材料力学性质纸质杆件的抗弯能力最弱，因此，设计时应尽可能降低荷载产生的弯矩。由表1，表2可看出白卡纸的主要优点是拥有较强的抗拉性能；经试验，白卡纸制成的杆件抗压性能也较强。因此，结构体系的杆件受力应以受拉和受压为主。经试验对比，发现比赛指定材料具有如下特点：l 白卡纸抗拉性能良好，抗压能力较差（力学性能分见表2）；l 白卡纸卷成纸筒状并用胶粘结后可承受一定压应力；l 白卡纸分光滑面和粗糙面，粗糙面粘结效果更好；l 白卡纸各向异性，有顺纹和逆纹之分，顺纹的强度较高；l 白乳胶粘结力强，纸带对接强度降低，侧接则能达到与母材强度相同。3.2计算简图图15计算简图3.3静载状况下结构的内力分析3.3.1结构强度计算l 荷载状况：144kg静力荷载。通过编辑结构力学求解器代码，以及各截面参数进行结构分析，得出计算结果。(1) 截面参数项目构件A（mm2）I（mm4）EA（N）EI（Nmm2）i（mm）斜撑2.55451.44377.9166903133主梁1.6203.47911157711.28次梁1.0579.7459.754537.28.7三角格构梁0.8413.0547.80742.5453.94表3 主要构件截面参数表 图16 弯矩图(Nmm) 图17轴力图(N)图18 剪力图(N)图18 横向弯矩图(Nmm)图18 横向轴力图(Nmm)3.3.2结构刚度计算模型在竖向荷载作用下，产生相应的位移，图19列出了个主要节点的位移。图19位移示意图结构变形最大处在悬臂端，最大挠度值为6.4mm，变形较小，满足要求。3.4承载能力验算3.4.1强度验算（1）斜向撑杆斜杆最大轴力Nmax=4.51N， 则 斜杆= =4.51/2.55=1.77MPa =7MPa，满足强度要求。（2）主梁杆 在荷载作用下最大轴力Nmax=6.1N，最大弯矩Mmax=36.16Nmm,按最不利效应组合。=4.21Mpa=22MPa。 满足强度要求。（3）次梁杆在荷载作用下最大轴力Nmax=0.63N，最大弯矩Mmax=38.03Nmm,按最不利效应组合。=3.22Mpa=22MPa，满足强度要求。3.4.2刚度验算本设计允许最大挠度为f = 18mm，竖向荷载作用下，经结构力学求解器计算得，主梁跨中产生最大横向挠度为6.05mmf = 18mm，满足刚度要求。3.4.3稳定性验算经大量试验得到各不同长细比下的稳定系数，见表4。表4 不同长细比对应的稳定系数长细比1020304050607080稳定系数0.930.880.780.660.590.520.480.37（1）斜撑（长）：钢珠侧向力通过次梁传于主梁后作用于斜杆上:取最不利受压腹部斜杆计算,其杆端受直接荷载作用，计算长度为312mm，长细比，查表4内插得=0.8554。，满足稳定性要求。（2）斜撑（短）：钢珠侧向力通过次梁传于主梁后作用于斜杆上:取最不利受压腹部斜杆计算,其杆端受直接荷载作用，计算长度为159mm，长细比，查表4内插得=0.9206。=满足稳定性要求。3.5承载能力的估算已知材料双层纸的抗压强度为，抗拉强度为。3.5.1稳定条件控制的最大承重G1荷载作用下，斜撑失稳时的临界应力，为各构件截面中应力最大，由此推出=153.9（kg）3.5.2强度条件控制下的最大承重G2荷载作用下，斜撑，为各构件截面中应力最大，由此推出。 3.5.3刚度条件控制的最大承重G3本设计容许最大变形 f =22mm，变形控制的最大承重=428.4（kg）。3.6破坏形式的估计对模型的特点及以上计算的受力分析，粗略估计该模型可能发生的破坏形式主要有以下两种：（1）偏心产生的整体倾覆由于模型的主体结构受到钢珠的水平推力，面板垂直高度受力呈三角分布状，斜撑制作误差及加载过程中钢珠的不均匀分布致使长斜撑存在偏心作用，从而使模型发生横向的整体倾覆。（2）局部损坏导致结构破坏由以上的受力分析可看出下部面板所受的压应力较大，最接近其极限压应力，由于面板的抗拉强度有限，容易在杆件受力节点处产生应力集中，故在此情况下，墙面板局部可能容易被破坏从而引起结构整体的破坏。附录一结构力学求解器输入源代码纵向简图输入：结点,1,0,0结点,2,0,130结点,3,0,270结点,4,91,0结点,5,156,0结点,6,0,400单元,1,2,1,1,0,1,1,1单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,3,6,1,1,1,1,1,1单元,1,4,1,1,1,1,1,1单元,4,5,1,1,1,1,1,1单元,2,4,1,1,0,1,1,0单元,3,5,1,1,0,1,1,0结点支承,1,3,0,0,0结点支承,4,1,0,0结点支承,5,1,0,0单元荷载,1,5,0.02667,0.01800,0,1,90单元荷载,2,5,0.01800,0.00867,0,1,90单元荷载,3,5,0.00867,0,0,1,90单元材料性质,1,5,91,11577,0,0,-1单元材料性质,6,7,377.91,66903,0,0,-1横向简图输入：结点,1,0,0结点,2,65,0结点,3,235,0结点,4,300,0结点,5,0,70结点,6,300,70单元,5,1,1,1,1,1,1,1单元,1,2,1,1,0,1,1,1单元,3,4,1,1,1,1,1,0单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,4,6,1,1,1,1,1,1结点支承,5,1,-90,0结点支承,6,1,90,0结点支承,2,3,0,0,0结点支承,3,1,0,0单元荷载,1,3,0.0180,0,1,90单元荷载,2,3,0.0180,0,1,90单元荷载,4,3,0.0180,0,1,90单元荷载,3,3,0.0180,0,1,90单元荷载,5,3,0.0180,0,1,90单元材料性质,1,5, 91,11577,1,0,-1附录二 结构内力输出值纵向内力计算：杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 6.09862548 1.35879488 0.00000000 6.09862548 -1.54475512 -24.2976654 2 2.40408587 1.04142261 -24.2976654 2.40408587 -0.82547739 -24.4205000 3 0.00000000 0.56355000 -24.4205000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 4 3.97520512 0.00000000 0.00000000 3.97520512 0.00000000 0.00000000 5 1.38902739 0.00000000 0.00000000 1.38902739 0.00000000 0.00000000 6 -4.50976033 0.00000000 0.00000000 -4.50976033 0.00000000 0.00000000 7 -2.77651327 0.00000000 0.00000000 -2.77651327 0.00000000 0.00000000-横向内力计算：杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 0.00000000 0.63000000 0.00000000 0.00000000 -0.63000000 0.00000000 2 0.63000000 0.00000000 0.00000000 0.63000000 -1.17000000 -38.0250000 3 0.63000000 1.17000000 -38.0250000 0.63000000 0.00000000 0.00000000 4 0.63000000 1.53000000 -38.0250000 0.63000000 -1.53000000 -38.0250000 5 0.00000000 0.63000000 0.00000000 0.00000000 -0.63000000 0.00000000-附录三 结构变形输出值纵向位移计算：杆端位移值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.28513823 19.7235285 8.71232211 -0.06834476 2 19.7235285 8.71232211 -0.06834476 31.0272542 12.4109157 -0.09952742 3 31.0272542 12.4109157 -0.09952742 51.0955835 12.4109157 -0.16808285 4 0.00000000 0.00000000 0.00000000 3.97520512 0.00000000 0.00000000 5 3.97520512 0.00000000 0.00000000 4.96736754 0.00000000 0.00000000 6 19.7235285 8.71232211 -0.11278755 3.97520512 0.00000000 -0.11278755 7 31.0272542 12.4109157 -0.09227315 4.96736754 0.00000000 -0.09227315-横向位移计算：杆端位移值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角- 1 0.00000000 -0.92798491 -0.02864935 -0.45000000 -0.92798491 0.01579221 2 -0.45000000 -0.92798491 0.03206789 0.00000000 0.00000000 -0.03909692 3 1.17692308 0.00000000 0.03909692 1.62692308 -0.92798491 -0.03206789 4 0.00000000 0.00000000 -0.03909692 1.17692308 0.00000000 0.03909692 5 1.62692308 -0.92798491 0.00102098 0.00000000 -0.92798491 0.04546254-