第四届全国大学生结构设计竞赛一等奖作品

1、 第 四 届 全 国 大 学 生 结 构 设 计 竞 赛计算书 目 录一、计算部分1、结构选型与方案设计2、材料属性的确定（木材顺纹抗压强度3、结构建模及荷载分析4、结构内力分析试验）5、结构承载力及位移分析二、图纸部分模型图纸（含节点构造、材料表） 1.结构选型与方案设计世界上众多铁塔、电视塔的结构形状都是从下往上截面逐渐变小，为什么会这样呢？图 11 是世界著名的埃菲尔铁塔，在高耸入云的上部塔尖、塔身都受到大风的水平作用力，我们做简单的弯矩分析，如图 1-1：将埃菲尔铁塔简化成如图 1-2 所示，使其受简化风载的作用，弯矩图图 11 埃菲尔铁塔如图，从上往下弯矩逐渐增大，和结构选型类似。所

2、以埃菲尔铁塔的图 12 埃菲尔铁塔弯矩草图图 13 赛题结构弯矩草图选型和弯矩图大致相似。此次竞赛制作的体育场悬挑屋盖，主要受风荷载力、竖向荷载力的作用，那么，在这两个荷载作用下，弯矩会是什么样的呢？我们做了大致计算，结果如图 1-3：所以，我们结构的大致选型也就和弯矩图大致相似，而我们的作 品名称取为：“驭竖凌风”，意为结构驾驭竖向荷载，凌驾风荷载之意。接下来的工作就是确定模型的最终造型：刚开始，我们初步定夺，做了如图 1-4 模型：七榀模型，杆件大多数是 4mm*6mm 截面的。图 14 初始模型图优点：刚度大；缺点：质量较重，结构不简明，受荷不明确。针对缺点，我们做了很多次实验，从七榀桁

3、架到五榀桁架，再到三榀桁架，到最终的两榀桁架。在质量“减肥”的情况下，还要保证刚度，要使模型在受载情况下，不破坏并且变形较小。在这种要求下：（1）对模型上下弦的截面做了改动：单纯的用本次大赛提供的矩形杆件，或者粘接的矩形杆件，质量较大，我们力求一种轻质高强的杆件，于是决定出两榀上下弦杆件都用矩形杆件拼接成“T”型杆件。（2）对节点进行处理：处理的原则是把粘接面积增大，把木条刻槽，使木条跟木条嵌在一起，具体节点处理见后附图册。（3）根据每根杆件受力分析，决定出每根杆件的截面大小，尽量满足“轻质高强”的要求。最终，经过多次实验，最终模型效果图如 1-5,1-6： 图 15 效果图一图 15 效果图

4、二 2.材料属性的确定（木材顺纹抗压强度试验）由于赛题仅给出木材顺纹抗压强度，故利用我校实验室万能实验机测量木材顺纹抗压强度。由 木材顺纹抗压强度试验方法（GB/T1935-2009），采用标准试件 30mm*20mm*20mm，得到压力位移曲线。试验照片见图2-1，由于材料有限，仅测量了十个试块数据，见表2-1，根据试验结果拟合得到压力位移曲线见图 2-2。图 2-1 木材顺纹抗压试验图 表 2-1 木材顺纹抗压试验数据表试块受压面积顺纹抗压强度(MPa)35尺寸（mm)破坏荷载（kN）（3020203020203020203020203020203020203020203020203020

5、2030202040040040040040040040040040040014235.5334.5436536.5635.57891014.135.25图 2-2 木材顺纹抗压试验拟合压力-位移曲线综合以上数据，采用木材顺纹抗压强度为 35MPa。 3. 结构建模及荷载分析本结构采用 SAP2000 建模，空间建模图见图 3-1，结构尺寸具体见后附图纸。结构两榀桁架+桁架侧向支撑，木材弹性模量 1.0 x10 4Mpa，顺纹抗拉强度 30Mpa，顺纹抗压强度 35Mpa，设置三种工况：竖向荷载工况和风荷载工况 1 以及风荷载工况 2。图 3-1 SAP2000 空间建模图 3.1 竖向荷载工

6、况根据赛题，竖向荷载 1.88kg 置于挑篷端部，故受荷情况简化为每榀桁架端部施加设计值为 18.8N*1.35/2=12.69N 的竖向力，受荷图见图3-2。图 3-2 竖向荷载作用图3.2 风荷载工况 1赛题对结构施加 9m/s 和 12m/s 两档风速，查建筑结构荷载规范1，（ GB50009-2006 ） 附 录 D.2.2 条 ， 基 本 风 压=v2200P=0.00125e-0.0001e）， 为基本风速， 为当地空气密度，（t/v0.0001zm30z 为当 地海 拔高度 ，查得 哈尔 滨海拔 高度 为 145m。代 入数 据得 1031044N/ （9m/s），0.8999*

7、 N/10=1.24985*， =0.49*mmmm220（12m/s）。查建筑结构荷载规范（GB50000-2006）7.1.1 条 =。 kgzsz0为高度 z 处的风振系数， 为风荷载体型系数,， 为风压高度变化sz系数， 为基本风压。对于本结构，查荷载规范7.3.3 条， 取0s2.0 ， 取 1.0 ，近 似 取 2.0 。 故 当 风 速 为 9m/s 时 ，2g2=2.0 1.0 1.2 0.49,而结构有 =1. 2N/104 mm2Ww 104kgzs2o两榀，每榀迎风面宽度为 300mm，故风速为 9m/s 时，线荷载为1.26.2300=3.6N/ ，同理 12m/s 风

8、速下结 构受荷载为10210mm4N/mm。 风荷载作用下结构受荷图见图 3-3。102 4.结构内力分析4.1 竖向荷载下结构内力分析由于结构节点简化为铰接，故杆件主要受轴力作用。竖向荷载下轴力图见图 4-1。由于结构对称，荷载对称，故两榀桁架内力相同，故取一榀桁架进行内力分析。一榀桁架杆件编号见图 4-2，杆件轴力见表4-1，杆件尺寸表见表 4-2，截面尺寸表见表 4-3。图 4-1 竖向荷载作用下轴力图图 4-2一榀桁架编号图 表 4-1 竖向荷载下杆件轴力（单位：N 受拉为正受压为负）杆件编号杆件编号杆件轴力（N）杆件受力类型1238.78-16.17-8.4511.53-34.565

9、0.70-7.6249.90-35.62-24.49-0.1149.90拉压压拉压拉压拉压压压拉131415161718192021222324压压拉拉拉压拉压压拉压压拉拉3压449.900.04压5拉6拉7压8压9拉101112零杆压-0.11-56.27-52.7表 4-2杆件尺寸表杆件长度（mm）杆件类型杆件编号杆件类型杆件编号杆件长度（mm）杆件类型12172.93190.49210.48225.13210.33322333323331314151617181920212223241313133131133456174.78109.51103.33119.2765.6978910111

10、2107.169.06103.33103.33 表 4-3 截面尺寸表平面内截平面外截 平面内 平面外面模量 Wy 回转半 回转半IxA性矩面模量i径 i径mmmmmmxy）)（4（4Wx(3（） （）481.331.330.580.58210.672.67T 型（两根2*6 杆件对接）3241364027.213.32.381.29结果分析：由图 4-1 及表 4-1 看出竖向荷载下桁架上弦受拉，下弦受压，数值可观，宜选用较大截面；腹杆受力较小，可采用较小截面。而桁架间侧向支撑受力均较小，可按最大长细比来设计。4.2 风荷载作用下结构内力分析4.2.1 9m/s 风速下结构内力分析9m/s

11、风速下结构轴力图见图 4-3，弯矩图见图 4-4，一榀桁架内力见表 4-4。 图 4-3 9m/s 风荷载作用下结构轴力图 表 4-4杆9m/s 风速下杆件内力表受力类型压弯拉拉受力类型杆受力类型压弯压拉杆件轴力杆件弯矩杆件轴力杆件弯矩件件编号编（N）（N）(N*mm)（N）(N*mm)号1-42.0658.7113-8.860压25-17.1729.352327.5918.1000141500拉拉压弯压456-18.9242.3900压16 -31.1933.69拉拉压弯171800压压弯-51.6446.32拉19.75压弯78913.56-49.2833.720拉19 -22.8133.

12、29拉拉压弯53.22202122000拉拉压压弯零杆拉00拉拉-9.0218.22101120.6110.2900拉压23248.1900拉拉5.0912 -40.7534.5520.864.2.2 12m/s 风速下结构内力分析12m/s 风速下结构轴力图见图 4-5，弯矩图见图 4-6，一榀桁架内力见表 4-5。 图 4-5 12m/s 风荷载作用下结构轴力图图 4-6 12m/s 风荷载作用下结构弯矩图 表 4-5 12m/s 风速下结构内力表受力类型压弯拉拉杆件编号受力类型杆件编号受力类型压弯压拉杆件轴力杆件弯矩杆件轴力杆件弯矩（N）(N.mm)（N）(N.mm)（N）(N.mm)1

13、-80.13110.413-17.20压25-34.150.12355.100141541.200拉拉压弯压136.219.68456-22.884.700压16171867.3拉拉压弯00压压弯-93.292.6拉-19.740.2压弯拉78927.1-98.567.4拉压拉19202166.219.210.200拉00拉压弯压拉拉-10.232.1101163.200拉拉压弯2223-9.716.900压拉20.6912-81.467.62461.30拉结果分析：由图 4-3、4-4、4-5、4-6 及表 4-4、4-5 看出，风荷载作用下桁架下弦受拉，上弦为压弯构件，数值可观，须采用较大

14、截面。腹杆受力较小，采用较小截面。桁架间侧向支撑受力较小，可按最大长细比设计。 5结构承载力及位移分析.1 竖向荷载承载力验算竖向荷载下杆件有两种受力类型：受拉构件和受压构件。现分别取一代表杆件进行承载力验算。 =30MPa， =35Mpa。fftc。如 6 号杆受拉力为 50.70N。截面为 T 型截面。截面面积为 24mm2由 木 结 构 规 范 5.1.1 条 ， 6 号 杆 拉 应 力 为50.70N/24mm2 =2.113MPa30MPa，满足。又如 14 号杆受压力为 56.40N，截面为 T 型截面，截面面积为。由木结构规范5.1.2 条， 对该杆进行强度验算为24mm256.

15、40N/24mm2 =2.35MPa21MPa，满足。对该杆进行稳定性验算：由木结构规范4.2.8 条，该杆平面内平面外长度均为节间长度，即 = =103mm。查截面参数表 4-3 知 =2.38mm， =1.29mm，计算得lliixyxy= / =103mm/2.38mm=43.277 = / =103mm/1.29mm=79.845l il ixxxyyy=1.602，由木结构规范5.1.4 条知 =3000/ =3000/243.2772N/（ * ）=56.40/1.602*24=1.467MPa75 时，（/80）2，对于本例， =0.826， =0.471 3000 /2xy对该

16、杆进行强度验算：由木结构规范5.3.2 条，N/（An*fc）+M/(w fn* m)=31.19/（24*35）+33.69/（27.2*20）=0.0991，满足。平面内稳定性验算：K=M /wf （1+ N/（Af ）omc=33.69/（27.2*20（1+）=0.05231.19（/ 24*35）=0.899，x=0.4202，A=24mm2 ，N=31.19kN(1-K)2mN/（ * ）=3.4410Mpafc，满足。 AO平面外稳定性验算：由木结构规范5.3.3 条N/( A f )+ M/( wf )）（ 2yo c1m=31.19/0.471 24 35+=0.081,满足

17、。 （33.69/1270220）2 表 5-3 受拉构件强度验算表强度验算mm2 ）f受拉杆件编号轴力（N）是否小于面积 A（mmtN/A（N/2241.14是是是是是是是是是是是是是是是是是是是382.261.760.564.240.850.422.122.441.702.151.252.040.860.541.400.211.330.21524248791011141518202123242728313235242424440.808.62244244242445.092445.325.0924表 5-4 受压杆件强度和稳定性验算表是否小于强度验算面积 A稳定性验算lili轴力N/Ayy

18、xxmm2xyxy(mm)(mm)(mm) (mm)（）N（/*mm（N/fc号4 -18.9213 -8.8617 -7.2322 -4.8726 -4.1129 -3.418444442.362.211.801.211.020.85是是是是是是94.1182.7572.7264.6594.11 0.58 0.58 162.25 162.25 0.11 0.1182.75 0.58 0.58 142.67 142.67 0.14 0.1472.72 0.58 0.58 125.37 125.37 0.19 0.1964.65 0.58 0.58 111.46 111.46 0.24 0.24

19、3.53 表 5-5 压弯构件强度验算表轴力 N弯矩 M是否小于1mm2 ）cm（N*mm）（N*mm）W(mm )（31-42.06-51.64-49.28-40.75-31.19-22.81-17.17-9.6858.7146.3253.2234.5533.6933.2929.3519.7518.2224242424242424242427.227.227.227.227.227.227.227.227.20.150.140.150.110.090.080.070.040.04是是是是是是是是是68121619253033-9.02表 5-6 压弯构件平面内稳定性验算表是否小于fc压弯构件

20、平面内li轴力弯矩 M面积 A抵抗矩xxkxmmm2x（N） （N*mm）(mm)(mm)（mm ）稳定验算3）（Ax m58.7146.3253.2234.5533.6933.2929.3519.7518.22242424242424242424172.93 2.38 72.65966 0.568244174.78 2.38 73.43697 0.556278103.33 2.38 43.41597 0.420182103.33 2.38 43.41597 0.420182103.33 2.38 43.41597 0.420182103.33 2.38 43.41597 0.42018210

21、3.33 2.38 43.41597 0.420182103.33 2.38 43.41597 0.42018227.227.227.227.227.227.227.227.227.20.088189 0.8313990.06823 0.8681960.078755 0.8486920.052047 0.8986140.051925 0.8988470.052537 0.8976850.047204 0.9078210.032786 0.9355040.030348 0.9402253.70954.45515.75804.49683.44102.51971.87551.02610.6914是是

22、是是是是是是是683033-9.68-9.02602.38 25.21008 0.578183表 5-7 压弯构件平面外稳定性验算表压弯构件平面外稳定验算面积 A是否小于1li轴力弯矩 Myy抵抗矩2yyylm(mm)(mm)（16-42.06-51.6458.7146.322424172.93174.781.291.29134.05135.480.160.1627.227.20.310.38是是 853.2234.5533.6933.2929.3519.7518.2224242424242424103.33103.33103.33103.33103.33103.33601.291.291.2

23、91.291.291.291.2980.1080.1080.1080.1080.1080.1046.510.460.460.460.460.460.460.427.227.227.227.227.227.227.20.130.100.080.060.040.020.02是是是是是是是121619253033-9.025.1.2 12m/s 风速下承载力验算表 5-8 受拉杆件强度验算表mm2 ） N/A（N/ mm2 ）f是否小于受拉杆件编号轴力（N）t224是是是是是是是是是是是是是是是是是是是3524724891011141518202123242728313235242424424417

24、.281.616.961.341.711.219.210.210.12443.4242442440.82.550.4224表 5-9受压杆件强度和稳定性验算表受压杆件编号是否小于面积A（lliimm2xyxyxymm2 )xy（N）(mm)N/A(N/fc） 48444444225.1 225.1 1.15 0.58 195.76 198.15 0.07 0.07106.3 106.3 0.58 0.58 183.39 133.39 0.08 0.16是是是是是是是94.182.772.764.618.794.1 0.58 0.58 162.25 162.25 0.11 0.1182.7 0.

25、58 0.58 142.67 142.67 0.14 0.1472.7 0.58 0.58 125.37 125.37 0.19 0.1964.6 0.58 0.58 111.46 111.46 0.24 0.2422262934-9.7-8.2-6.8-8.22.4252.051.72.0518.7 0.58 0.58 32.3732.37 2.86 2.860.71表 5-10 压弯杆件表强度验算表压弯杆件表强度验算是否小于1压弯杆件编号 轴力（N） 弯矩 M（N*mm）mm）（2cm1-80.13-93.2-98.5-81.4-62.5-42.7-34.1-19.7-10.2110.49

26、2.6110.467.667.366.250.140.232.124242424242424242427.227.227.227.227.227.227.227.227.20.290.280.320.220.190.170.130.090.07是是是是是是是是是68121619253033表 5-11压弯杆件平面内稳定验算面积 A是否li轴力弯矩 M抵抗矩xxK小于fcxmAmmx（mm3）（N） （N*mm）2（xm1-80.13 110.4-93.2 92.6-98.5 110.4-81.4 67.6-62.5 67.3-42.7 66.2-34.1 50.1-19.7 40.2-10.2 32.1242424242424242424172.9 2.38 72.65 0.27174.7 2.38 73.43 0.27103.3 2.38 43.41 0.42103.3 2.38 43.41 0.42103.3 2.38 43.41 0.42103.3 2.38 43.41 0.42103.3 2.38 43.41 0.42103.3 2.38 43.41 0.4227.227.227.227.227.227.227.227.227.20.15 0.710.12 0.760.15 0.72