“扬鹤”自立式塔吊结构模型设计

1、“扬鹤”自立式塔吊结构模型设计理论方案浙江省大学生结构设计竞赛组委会二八年目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc209455210 目录 PAGEREF _Toc209455210 h 1 HYPERLINK l _Toc209455211 1设计说明书 PAGEREF _Toc209455211 h 2 HYPERLINK l _Toc209455212 方案构思 PAGEREF _Toc209455212 h 2 HYPERLINK l _Toc209455213 结构选型 PAGEREF _Toc209455213 h 2 HYPERLINK l _Toc

2、209455217 2. 方案图 PAGEREF _Toc209455217 h 6 HYPERLINK l _Toc209455218 2.1透视图 PAGEREF _Toc209455218 h 6 HYPERLINK l _Toc209455219 2.2节点祥图 PAGEREF _Toc209455219 h 7 HYPERLINK l _Toc209455220 3计算书 PAGEREF _Toc209455220 h 8 HYPERLINK l _Toc209455221 3.1 计算模型（图1-6） PAGEREF _Toc209455221 h 8 HYPERLINK l _T

3、oc209455222 3.2 结构计算假定和各个单元物理参数 PAGEREF _Toc209455222 h 9 HYPERLINK l _Toc209455223 计算假定 PAGEREF _Toc209455223 h 9 HYPERLINK l _Toc209455224 3.3 构件截面尺寸 PAGEREF _Toc209455224 h 9 HYPERLINK l _Toc209455225 3.4 结构计算简图（图1-7） PAGEREF _Toc209455225 h 9 HYPERLINK l _Toc209455226 3.5 结构选型计算 PAGEREF _Toc2094

4、55226 h 10 HYPERLINK l _Toc209455227 3.6 荷载分析 PAGEREF _Toc209455227 h 12 HYPERLINK l _Toc209455228 3.7 内力分析 PAGEREF _Toc209455228 h 12 HYPERLINK l _Toc209455229 3.8承载能力评价 PAGEREF _Toc209455229 h 12 HYPERLINK l _Toc209455230 1设计说明书现代结构讲究结构与建筑美学相适应，在满足结构功能的同时体现建筑美。这是本作品设计的源泉，打破传统塔吊的结构型式，具有极强的视觉冲击与震撼，体

5、现了力与美的完美结合。方案构思形象是结构内在品质物化的外在形态，是表现结构内涵和个性的形式和语言系统。为使我们的结构能给人留下特别的印象，考虑从各种技术手段上来表现结构形象。我们的结构采用4面每面3个“X”形，塔身共有16根主承重杆件，整个结构外观简洁、新颖，赋予塔吊以生气。1.2结构选型初步设计时仔细的考虑了传统结构形式和材料用量，得出初步的方案采用以竖杆为主要承重杆件承受竖向荷载，辅以截面较小的斜向和水平支撑来承受水平荷载。作品采用由杆件交叉成的，由12个“X”型在顶端处相交的形式，考虑到比赛中结构先后受到竖向和水平主要控制荷载，模型结构选择了主斜杆+水平支撑体系，荷载主要由主斜杆承受，支

6、撑体系来保证结构的整体性和稳定行，以控制结构位移在规定限制内。创作初期我们也采用过常见的6根柱直筒型，通过比较，最后还是敲定了现在的“X”型的方案，其与直筒型相比较具有如下优点：（1）斜杆作为主杆可以有效，增加结构抗扭刚度，减小结构水平位移。（2）外形简洁大方。（3）杆件的数量明显减少，节点加工方便。（4）从斜45度看，结构凹凸有致，个性鲜明。方案一（图1-1）首先我们考虑一个最为保守的方案。从制作角度我们在底面采用25cm*25cm矩形形式，由4个三角形交叉组成基座，受力主杆采用单杆受力 ，杆件截面均为管状。扭转主要由斜向截面积较小的支撑杆来抵抗。经过计算和实际模型试验，发现结构的抗扭刚度太

7、小，要使抗扭刚度达到要求则应增加斜杆截面积，进而会大幅度增加结构自重。经再三考虑放弃此方案。图1-1 方案一结构方案二（图1-2）我们从方案一改进中得出以下的新方案：为了节省材料和模型的总量，同时提高结构美观，我们去掉了原模型竖向主杆，每个截面采用交叉双斜杆来承受竖向和扭转荷载，形成了一个新的结构形式，从根本上改善了方案一结构的抗扭性能。经过理论计算和模型试验，指定荷载作用下水平和竖向位移均满足竞赛要求。因此，我们最终确定选用此方案。（具体结构内力及位移计算在计算书中详述。）图1-2 方案二结构2.材料性能与制作经验2.1 材料力学性能指标1、170g牛皮纸弹性模量与拉应力.压应力 弹性模量（

8、MPa） 拉应力（MPa） 压应力（MPa）3000 40 132、蜡线极限拉力 股数 1 2 3 4 5 6 极限力（N） 48 110 168 207 225 2322.2 制作经验经过我们多次的制作尝试，我们得出了以下几点经验：（1）模具的选择。我们的结构杆件均是空心圆柱体，所以我们找到了12mm的钢筋、4mm的刹车线外皮 来卷各杆件。（2）牛皮纸纹线的合理。刚开始我们由于追求速度而随意量取规格进行卷纸，卷的过程我们发现当平行与纸张条纹卷的时候卷得顺且易，成品的刚度也相对较大；反之，当垂直与条纹卷时容易 使纸张褶皱且成品刚度低。（3）胶水的使用很有讲究。胶水必须有一定的流动度，以便很好地

9、涂抹，但不能太稀，否则很难控制粘贴。胶合的时候最好用工具对粘贴面施加一定的压力，这样可以保存粘贴良好，外表也美观。使用胶水时避免对胶水的揉搓，否则会使胶水发黄变黑影响美观。（4）对于杆件和蜡线的预应力的施加，锚固也有讲究，可以使结构更加稳定，在受外力荷载时变形不会过大。3. 方案图3.1透视图 图1-3 模型透视图3.2节点详图图1-4 结构整体分布图 节点详图 节点详图 节点详图 eq oac(,4)节点详图图1-5 结点详图4计算书4.1 计算模型（图1-6）图1-6 结构计算模型4.2 结构计算假定和各个单元物理参数计算假定（1）因为杆件下部用大量胶水灌注，并用纸片固定，因而底部支座可以

10、近似认为刚接。（2）各杆件的连接节点，由于采取了加强措施，所以也应该视为刚接。（3）我们的结构要受横向荷载作用，所以计算时主杆和支撑均采用空间杆件单元。（4）计算时所有的荷载均等效为作用在节点上的集中荷载。4.3 构件截面尺寸（1）主杆采用圆环截面截面外直径（D）16mm 截面内直径（d）：12mm（2）支撑采用圆环截面截面1外直径（D）6mm 截面1内直径（d）：4mm 结构计算简图（图1-7） 图1-7 计算简图竖直荷载作用在模型最顶部的最右边受力点还受横向荷载大小19.6N。 4.5 结构选型计算方案比选第一种方案：（图1-8）当受到指定荷载作用时，其位移改变如图1-9，其内力大小如图1

11、-10： 图1-8 计算简图 图1-9 横向位移图由横向位移图可以看出，由于第一种方案采用竖杆为主杆，斜杆为支撑杆，截面积较小，因而结构抗扭刚度较低，初载作用下横向位移过大。因此我们改用了斜杆为主要杆件的第二种结构模型。图1-10 单元内力大小（红色为压，黄为拉）第二种方案：（图1-11） 图1-11 计算简图 图1-12 横向位移图当受到指定荷载作用时，其位移改变如图1-12,其内力大小如下图1-13：1-13 杆件内力图由以上对比，显然，将斜杆作为主杆后，虽然一定程度上增加了自重，但结构的抗扭刚度大大增加，侧向位移显著减小。而且竖向承载力不会受到很大影响。由以上的方案比选和结构优化，最终我

12、们确定了方案二的结构形式。 荷载分析下表列出了结构受到从初载到满载过程中观测点的计算水平和竖向位移大小：表1-1 位移计算表荷载2kg3kg4kg5 kg6 kg竖向位移（mm）水平位移（mm）4.7 内力分析各级荷载作用下结构受力最大的主杆和支撑的内力如下表所示：表1-2 内力计算表荷载2kg3kg4kg5 kg6 kg主杆拉力（N）主杆压力（N）支撑拉力（N）支撑压力（N）4.8承载能力评价主杆的横截面积为：88mm2 受拉承载力：3520N 受压承载力：1144N支撑杆的横截面积：2 受拉承载力：628N 受压承载力：204N由内力计算表可见，各杆内力均远小于杆件承载能力，因此结构从内力和变形方面均满足要求。5. 结语这次结构设计给了我们充分展示自我的发展空间，可自由发挥我们的爱好和特长。在社会实践中，我们根据自己的爱好和特长，充分展示自己，使自己的个性发展得到支持和鼓励，逐渐形成了自己的特色。还激发了我们的创新意识。在困难中，我经常会遇到“为什么”和“怎么做”，这就要求我要会质疑和反思，要求我们对问题要多方位、多角度地思考，从而激发蕴藏在我们身上的潜在创造性。在结构设计中使我实践能力也得以发展。在结构设计中，我们自己动手操作、分析设计，面对陌生事物大胆创新，克