大跨度屋盖设计.docx

大跨度屋盖设计
结构计算书






目录
一、设计说明 3
1、方案构思 3
2、结构选型 3
3
3
二、方案设计 3
3
2. 截面与节点详图 3
3. 荷载作用下结构应力分析 3
3
三、负载模式 3
1. 竖向静力加载 3
四、结构计算结果 3
1. 杆件内力 3
一、设计说明
根据竞赛规则要求,我们从模型耐压特性和静力加载大小等要求出发,本着承载力强,节省材料,经济美观的目的,采用了主办方提供的白卡纸,白乳胶,铁丝精心设计制作了“亭亭玉立”结构模型。空间类桁架拉拱结构为该模型的一大亮点。在减轻结构自重的分析中,采用Matlab进行了编程求解,既满足了承载力的要求,又节约了材料消耗。
1、方案构思
本次结构大赛结构体系分为桁架式和拉拱式两大方向。考虑到拉拱式结构的抗剪力、弯矩的能力既无经验可循又难以计算,而桁架式结构空间布置灵活,且在偏心荷载作用下不易移动,稳定性强。我们的设计思路沿着桁架式的方向发展。
经过Ansys模拟,模型主要承受300N竖直轴心静荷载。
设计的总原则是:由于白卡纸具有优良的抗拉及抗压性能,因此为尽可能的利用竖向支撑的承重柱,“亭亭玉立”模型采用变截面的8根承重柱来作为本模型的主要承重构件。8根承重柱与地面的夹角控制在60度左右,减少了顶面加载面的面积,进而减轻了结构自重。在抵抗跨中弯矩方面,模型采用变截面结构。该种截面设计使得模型具有轻质高强,抗弯耐剪的优良性能。
2、结构选型
选择便于白卡纸性能发挥的圆柱为结构单元。该结构受力均匀,粘结性较好,受力明确。整体上,模型以空间类桁架拉拱结构为主导。

主体承重柱子截面为8根Φ20mm的双层圆筒,每根柱子外层加设一道圆箍以保证整体的稳定性。面板采用8个Φ10mm的圆柱拼接而成的等边八边形平面抗压结构。整体来看,结构荷重比较大,抗弯性能较强,结构的整体稳定性较好。

由于偏心荷载作用会在主体框架结构相交的节点处引起较大的剪力,所以本模型为提高节点的抗剪强度,统一采用了等截面的构件,避免了构件承载能力间的各向异性,从而在结构受力计算时一些节点得以模拟成刚节点。刚节点的引入,使得模型的整体计算偏安全。符合模型的加载实验要求。
本模型中其余的链接处均采用白乳胶链接或是铁丝链接。
二、方案设计
1. 方案演化
2. 受力分析与三视图
受力分析:假设荷载为集中荷载,每根杆承受的荷载相同,根据力的平行四边形法则,沿杆件和水平方向分解,分力的大小如下图。
正视图:缀条的配置如下图。
由于“亭亭玉立”模型整体类似与浙江大学2012年海洋平台结构设计模型,且杆件的制作和海洋平台结构设计模型完全相同,故借鉴其中的应力计算,具体的ansys分析如下:
整个模型采用两种单元类型:BEAM4和SHELL63,BEAM4单元参数包括截面的高度、宽度、面积和截面惯性矩,具体再细分为两种类型,用来模拟所有的杆件SHELL63单元参数包括节点处的厚度,用来模拟加载箱。
相关参数:弹性模量,泊松比,密度(估计值)。
建立实体模型,划分为有限元模型,见下表:
实常数编号
单元类型
截面积
高度
宽度
1
BEAM4
-5
-10
-10


2
BEAM4
-5
-11
-11


厚度
厚度
厚度
厚度
3
SHELL63




有限元模型,如图1:
图1 有限元模型图
3. 荷载作用下结构应力分析
首先考虑结构在重力荷载和风荷载作用下得结构响应
所有节点采用偏安全的刚节点计算,186g砝码所施加的力为。结构有Z方向的压力为。
施加荷载,如图2:
图 2 施加荷载图
X方向位移,如图3:
图 3 X方向位移图
,变形不大。
模型轴力图,如图4:
图 4 轴力图
由此可知,,。
双方向弯矩图,如图5,图6:
图 5 双向弯矩图(1)
图 6 双向弯矩图(2)
由此可知,最大弯矩。
综上所述,结构可以较好地承受外荷载。
整体稳定性屈曲分析
屈曲加载:结构有Z方向的压力,即,底部模拟为铰接,如图12:
图 7 铰接模型
三阶屈曲模态如图8,9,10:
图 8 三阶屈曲模态(1)
图 9 三阶屈曲模态(2)
图 70 三阶屈曲模态(3)
由第一阶特征值屈曲分析知,,