结构设计与模型竞赛
--体育场悬挑屋盖结构
目 录
设计说明书
1、 方案构思及结构选型·············································3 2、 材料性能·······················································4 3、 结构设计·······················································5 4、 制作工艺·······················································6 5、 特色处理·······················································7
设计计算书
1、 2、 3、 4、
计算方法·····················································8 结构建模·····················································8 内力计算结果·················································8 有限元参数影响分析···········································9
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设计说明书
1 方案构思及结构选型
仔细阅读完竞赛细则，我们从模型设计的要求、模型制作材料的性能、加载形式和制作方便程度等方面出发，进行构思设计。
确定设计荷载至少为5kN、考虑到压杆长细比限制、拉杆的抗撕裂能力、纸的受拉性能、制作模具等因素，我们选定了格构形式，格构式构件是由众多杆件组成的梁杆系统，许多文献中对其稳定性分析是通过将格构式构件等效为实腹结构进行计算的，其等效方法是用等效实腹构件的长度代替格构式构件的实际长度。就底座而言，如果能够使格构形式主要受轴力，那么不仅能在结构的稳定性上有足够的保证，对纸制圆柱受压性能的利用也能达到一个较好的效果。
在此基础上，我们联想到了工地上常见的塔吊，从这种机械的广泛应用本身就已很好的说明，对于如细则所述的悬臂，塔吊式结构的受力机理是很合理
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的。如果能在此基础上作改进，相信能有一个较理想的结构形式。
但考虑到塔吊的实际工程运用与这次所要求的悬臂，我们考虑了方形柱与变截面柱两种不同的底柱形式如图：
通过实验的比较，因工艺上存在的缺陷，我们没办法使变截面柱做到各柱基本都是受到轴力，在相同用料的基础上其长细比上比方形柱会差好多。最终我们选定了方形柱。
对上方的悬臂梁，我们参照塔吊进行设计，尽量充分利用卡纸的力学性能。通过实验我们发现当前臂与总长的比接近黄金分割比，顶柱与后臂接近等长的时候整个结构的受力机理较为合理。
2 材料性能
白卡纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗压稳定性差。将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，多为压杆失稳状态的受力破坏，可承受一定弯矩。
乳胶的粘接性能：纸带对接时强度约降低50％，纸带侧接时，强度较高，认为与原材强度相同。 表1. 215克白卡纸弹性模量
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名称种类 层数 1 弹性模量(MPa) 56.9 148.2 215克白卡纸 2 表2. 215克白卡纸极限应力
层厚 (mm) 拉应力（N/mm2） 压应力 （N/mm2） 名称类型 备 注 215克白卡纸 0.3 22.2 7.0 受压计算时需考虑长细比对稳定的影响 表3 空心杆的质量及轴心受压极限承载力
杆内径 （mm） 16 杆壁纸层数 3 杆长度 (mm) 100 杆质量 (g) 9.4 受压极限承载力 (kg) 20.7 分析结果：
（1）将纸条卷成内径8mm，外径18mm的圆筒，当长800mm时，可承受200N左右的压力。
（2）将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，相同质量的纸杆，越短承载力越大，因此，模型中压杆应尽可能短，而且尽量不受弯矩作用。
（3）用3.6cm宽纸条通过折叠，可承受远大于200N的拉力
3 结构设计
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结构设计大赛计算书
