北航A组赛题说明书.docx

第三届北京市建筑结构设计大赛（A组）计算书作品名称：竹穹指导老师：XXX 参赛队员：XXXXXX设计说明根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性，抗拉特性，冲击荷载大小要求等方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的竹质材料，502胶水粘结剂制作了“竹穹”结构模型，该模型为梁柱体系结构。方案构思该模型主要承受竖直的冲击荷载，荷载作用在防护网上，利用支撑网的梁将力传递到柱上，因此，我们的模型的受力特征是防护网主要承受拉应力，梁主要承受剪力和弯矩，柱子主要承受压应力，而竹皮材料的特点是，各向异性，顺着纹路的抗拉能力很强，而垂直纹路的抗拉能力很弱，根据这些特征我们的设计原则是：强化梁，提高其抗弯抗剪能力；削弱柱，节省材料减轻总重；合理设计网，在承载能力足够情况下做到美观简约。结构选型根据设计要求，该模型网的挠度不能过大（赛题要求不超过50mm），且下方要有足够的空间（赛题要求通过200*200*250mm的块体），因此，我们选择300*300mm的方形网，用框架结构来支撑，将荷载传递到抗压能力的柱子上。1.结构外形结构平面为300*300mm的正方形，柱高300mm，整体是300*300*300mm的立方体，梁为圆柱形梁，立柱为圆柱形空心柱。2.材料截面选择圆柱形空心柱的外径为28mm，内径为24mm，截面积为163.36mm2，梁截面直径为18mm，截面积为254.47mm2，惯性矩为5152.99mm4，抗弯截面系数572.56mm3，网的厚度分为两种，一种为0.35 的中厚型，另一种为双层0.35粘在一起的加厚型。3.节点设计梁与柱之间的节点可以简化为为刚节点，具体设计是将梁的一段削尖，并在柱上开一个大小合适的孔，把梁插入孔内后，用胶水粘牢，为了进一步提高框架的稳定性以及梁的抗剪切能力，在连接的直角处插入一个用多块竹皮叠在一起的小直角快。梁与网之间用胶水粘结，将竹条绕过梁半圈之后粘上。结构特色1.网的设计考虑到网的美观，网孔的面积与整个面积减去网孔面积的比例为0.618，考虑到网的破坏有拉断，与沿着纹路剪断两种破坏形式，我们设计尽量使两种形式破坏时的受力大致相同，因此，竹条的宽度确定为0.8mm，另外，由于冲击荷载的动力系数与静载时网的变形有关，且变形越大，动力系数越小，为了增大静载时的挠度，且不超过50mm 的界限，我们在粘接网时，使网稍微拱起，延长了重物与网的撞击时间，从而达到减小动力系数的目的。竹条在承受拉力时，有一个致命弱点，就是材料自身的缺陷，竹条在竹节处抗拉能力相对其他位置弱，因此，在使用一层竹皮时，如果不是竹皮编的很密，很容易被拉断，但是网一旦编的很密，制作时难度很大，且不美观，为了解决这一难题，我们在主要承力部分用双层，这样既弥补了材料自身的缺陷，又使得竹条与梁之间更好粘接。2.梁柱的设计由于在承载时，梁需要承受一个很大的弯矩，为了提高梁的抗弯强度，我们想很多方法，利用较厚的竹皮来卷梁，改变梁截面的尺寸，改变梁的截面的形状，最终确定将梁的截面设计，我们将圆形截面制作成对称的切去两个弓形的截面，一方面，增大了截面的抗弯截面系数，另一方面节省材料，大大减轻了整体的质量。考虑到柱子不仅会受到压力，还会受到弯矩的作用，而在卷圆柱时，仅沿着一个方向卷，其抗弯能力显得很弱，因此，在制作柱子时，我们先顺着竹皮的纹路卷几圈，在沿着垂直纹路的方向卷几圈，这样纹路之间形成网状，大大提高了柱子的抗压，抗弯能力。设计方案设计基本假定竹条材质连续均匀柱子与梁之间的连接为刚节点，柱子下面用热熔胶与底板固定部分为固定支座，网面在承受16个小球冲击荷载时，可假设为均布荷载，在承受大球的冲击荷载时，可假设为集中荷载，由于结构对称，假定网受力均匀的传递给梁和四个立柱。模型结构图结构实物图主要构件材料表标号截面形状尺寸数量备注立柱内径24mm外径28mm截面积：163.36mm2长度：300mm4惯性矩为13885.8mm4抗弯截面系数为991.8mm3梁内径7mm外径18mm截面积：215.98mm2长度280mm4惯性矩：5035.14mm4抗弯截面系数：559.46mm3网条竹条一：宽度0.8mm厚度0.35mm竹条二：宽度0.8mm厚度0.7mm编织的网中网孔为正方形，其边长为0.5mm结构设计计算本次比赛要求模型分别在16个质量为0.45kg的小球与1个质量为4kg的大球的冲击荷载下，不能有较大的破坏，网面的最大挠度不能超过50mm。我们所采用的材料为三种规格的竹皮，力学性能参考值：弹性模量1.0×104MPa，抗拉强度60MPa。我们假定小球的冲击荷载为作用到网面的均布荷载，大球的冲击荷载为作用到网面的集中荷载，且通过网将荷载均匀地传递到梁和柱上，在此假设的基础上我们对整个结构进行受力分