“中天杯”河南省第三届结构模型设计大赛计算书代表队名称：海岸星战队学校：队员：指导教师：编号：“中天杯”河南省第三届结构模型设计大赛计算书代表队名称：海岸星战队编号：目录摘要 (1)1 设计说明书 (2)1.1 方案构思 (2)1.2 方案简介 (2)1.3 结构模型方案特点 (3)2 方案图 (4)2.1 结构整体布置图 (4)2.2 主要构件详图 (4)2.3 方案效果图 (5)3 计算书 (6)3.1结构选型 (6)3.1.1 概述 (6)3.1.2 方案选型 (6)3.1.3结构选型 (7)3.2 结构建模及主要计算参数 (8)3.2.1 分析假定 (8)3.2.2 材料参数 (8)3.2.3荷质比估算 (9)3.2.4模型位移分析及杆件分析 (9)4 制作说明 (10)4.1 制作流程 (10)4.2 制作要点 (10)4.3 节点构造 (10)致谢 (12)参考文献 (13)摘要本说明书按照“中天杯”河南省第三届大学生结构模型设计大赛题目中指定的使用材料和要求，结合现行结构及国内外相关比赛模型的特点，借鉴框架杆系结构设计概念构思了本结构模型。

在造型上，空间上主要采用三角形几何元素，注重结构的整体性和稳定性，满足结构大赛大跨度屋盖空间设计要求，平面荷载通过杆件进行传递。

在结构设计方面，充分考虑白卡纸抗拉的力学性能，采用格构式组合构件受压特性，利用对角支撑增加结构空间作用，提高抗侧倾斜能力。

在计算方面，采用有限元MIDAS软件建模并进行分析，根据构件的受力情况沿各杆件变化，充分考虑结构杆件特性，经过计算表明，模型在设计荷载作用下，均能满足强度、刚度、稳定性要求。

关键词：结构设计模型大跨度模型大赛屋盖结构1 设计说明书1.1 方案构思对于结构模型，稳定性起着控制作用，包括整体稳定性和局部稳定性，选择合理有效的结构受力体系对结构模型设计有着重要意义。

模型设计中，主要应考虑充分利用白卡纸受力性能特点。

就本次竞赛而言，关键在于充分利用白卡纸受拉性能好，受压则需要组合成柱的特点，选择优化的结构模型，使结构模型能够接近竞赛规定的最大加载载荷，同时尽可能降低结构的自身重量。

本结构模型根据以上思想，进行结构的构思与设计。

1.2 方案简介结构模型根据竞赛规程的要求，满足空间要求，以四个三角形为主要受压构件向下传给对角线纸带，四个受力节点在屋盖平面上。

为加强其稳定性将四个三角形采用一根整杆，在三角形顶点处两两刚性连接并在上部正方形加载平面处采用对角线横杆来增加其整体稳定性，同时在加载中适当的加些纸带防止受扭，在满足内部空间的要求情况下，增大模型的稳定性，同时抵抗一部分加载过程中受扭产生的一个力。

根据各个面内的抗弯刚度要求，灵活选用杆的形式，通过对于不同模型高度杆件计算得出合理高度；再合理布置支撑杆件，用于抵抗荷载传来的水平力分力并减小侧移；并通过MIDAS软件模拟均布荷载下的破坏情况，找出结构构件的薄弱环节进行局部加强，使得结构的破坏向强度破坏靠近，从而使本结构模型具有足够的承载能力和较好的抗侧能力。

1.3 结构模型方案特点（1）通过结构模型使荷载有效地传递，使得结构的构件基本只受拉或受压，构件基本不受弯或所受弯矩很小，能充分发挥构件的力学性能。

模型的主要受力构件为四个三角形、下部对角线的纸带。

主框架的四个三角形的节点通过绳子以及纸带进行连接，增加结构的整体性。

（2）白卡纸轴向受拉力学性能较好，受弯性能低劣，如若做成组合杆件来承受抗弯性能势必所需材料较多，故主要利用倾斜的三角形把竖向力转化为下部的水平力拉力，利用白卡纸承受水平拉力，尽量避免通过构件直接受弯，为了防止加载中扭曲变形，上部正方形对角线增加两根细柱。

（3）根据计算及实验情况，对于受压杆件：主杆用直径8mm 的，次要受力杆件用直径6mm，不同直径杆件搭配使用，材料利用非常充分。

2 方案图2.1 结构整体布置图结构整体布置见图1。

主框架4根直杆折成的直径为8mm的三角形；上部正方形对角线水平杆直径为6mm；底部对角线纸带宽20mm。

图1 结构整体布置2.2 主要构件详图主要构件包括纸带、丝线、杆件，见图2所示。

（a）纸带（b）杆件图2 主要杆件图2.3 方案效果图基于以上理由与分析，最终我们确立的方案效果如图3所示。

图3 方案效果图3 计算书3.1结构选型3.1.1 概述本次结构设计竞赛题为采用白卡纸、白乳胶和丝线作为主要材料，制作一纸质结构模型，并且模型为大跨度空间屋盖结构，并模拟实际荷载状态进行加载测试。

考虑到材料及结构形式，设计出来的结构模型必须是一个在满足竞赛要求的前提下，运用空间结构的构造方法和结构力学、材料力学等相关力学知识所设计出的材料消耗最少、同时结构强度和刚度能够满足竞赛要求的结构模型。

3.1.2 方案选型（1）力学结构承受的竖向静力荷载主要由四个三角形结点承担，最终传给三角形的两边。

理想状态下斜边越粗承载能力越大，但考虑到模型的制作工艺、整体稳定性等特点，斜杆粗细应选取最优值。

由于赛题所选材料为白卡纸，所以模型的结点不可作为钢结点，考虑到模型的稳定性，我们采取了在上部正方形对角线加细柱的方法。

这样增加了模型的刚度和稳定性，模型的整体性也非常好。

（2）美学从古至今，土木工程的发展都与美学紧密结合，尤其是结构方面与美的结合。

作为结构模型的承重体系，可以是柱、拉杆，丝线和纸带。

我们根据对结构美学的理解，结合力学需求分析，最终给结构方案制定了简洁、中心对称美学目标。

3.1.3结构选型基于赛题的要求和上述结构模型的力学和美学需求分析，我们采用上部正方形加对角线细柱的三角框架结构形式。

以下对竖向所受荷载进行详细说明。

根据赛题要求，模型上部受向下的集中荷载，为能使力全部且均匀传到底部纸带，考虑到主办方提供的加载装置，我们削弱了顶部的杆件，而使力直接传递给三角形其他两边，最终传给下面的纸带。

这样一来，既节省了一部分材料，同时也减轻了模型的自重。

考虑到模型的制作工艺，模型体积较大，可能会有一些偏心，这样加竖向荷载时可能会出现倒塌现象，我们在模型上部正方形对角线内加了细柱，因此这个问题得到了解决。

竖向荷载传力途径如图4所示。

图4 竖向荷载传力途径3.2 结构建模及主要计算参数3.2.1 分析假定（1）由于本次大赛模型材料为白卡纸，将结点设为铰结点；（2）纸带抗压刚度非常小，承受轴向压力的能力非常低，因此在结构设计模型中视为单拉构件。

纸带与杆件的连接视为理想铰接；（3）虽然加竖向荷载时是用下部吊挂加载（吊钩位于吊挂结点下20mm处，模型中不能有影响吊钩的构件）。

但是我们制作时发现上部正方形四边杆件受力较小，制作时尽量让三角形斜向的两边受力，因此在计算分析时我们将竖向荷载定为节点荷载。

3.2.2 材料参数本次比赛采用的主体材料为白卡纸。

（1）白卡纸的抗拉、抗压强度卡纸作为模型材料，受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗弯压能力几乎为零，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，根据卡纸特性以及模型制作要求，在试验制作的基础上进行试算。

因此，模型中压杆自由长度应尽可能短，而且尽量不受弯矩作用。

（2）几何模型对于结构设计方案所示结构，在进行结构内力分析时，涉及杆件较多，通过手工计算难以获得其准确的计算结果，为此，我们拟采用大型通用有限元分析程序中建立结构分析模型。

而在建立分析模型之前，必须确定结构的几何模型，包括结构形式、构件截面以及材料属性等设计参数。

按照常规结构设计程序，必须对构件截面尺寸进行初步设计，而后进行计算分析的结构进行优化调整，为了简化计算，我们以试验制作为基础，对具体参数在模型建立中不再输入，借助MIDAS验算一下各杆件在达到最大荷载下，各杆件所受内力。

3.2.3荷质比估算根据模型试验，结合多次加载情况，模型质量基本上是260g左右,承载最大为24kg，荷质比为92，简化模型后，尽量将模型控制在250g以内，荷质比冲击96。

3.2.4模型位移趋向分析及杆件分析模型在受到集中荷载作用时会有向四个红色点发展的趋势。

1-------------直径8mm的杆2和3-------直径6mm的杆件4 制作说明4.1 制作流程裁纸⇨制作杆件⇨杆件自然风干⇨构件连接处加工⇨制作组合构件⇨拼装空间骨架⇨安装对角线细柱⇨安装受拉纸带⇨节点处加强⇨加工局部结构⇨美化养护⇨加载4.2 制作要点（1）制作组合杆件时应保持杆件的粘结牢固，避免因加工因素使柱局部失稳出现破坏。

由于斜向三角形构件是本方案主要受力构件,一旦出现上述问题，将严重影响结构的受力性能。

（2）拼装杆系结构和结构空间体系时应避免由于杆件的制作误差引起对称位置平面和空间角度不相等，甚至引起整个结构的重心发生偏移，使得在加载时因偏心而侧翻。

（3）上部对角线细柱的拼装应严格控制误差，保证上部正方形四个加载点高度相等，并使各支撑点间距相等。

（4）由于竞赛使用的是白乳胶，所以粘结时先准备好需粘结的构件，再来粘结，并由同组人员协调完成。

（5）后期应注意加强节点受力较大处，以提高节点强度。

4.3 节点构造节点构造见图10。

（a）杆件内部结点(b) 杆件与杆件结点图10 结点构造图致谢通过参加本次“中天杯”结构模型设计大赛，回首整个模型构思、计算、制作及完成的过程中，我们思绪万千，心情久久不能平静。

我们收获的不仅仅是理论与实践的知识，更多的是团队协作的做人的知识。

回想任何一个结构模型，都是由众多单根杆件组成，这让我们想“一个竹篙难渡汪洋海”的道理，试想一个团队中的任何一个人何尝不是一根杆件呢？首先，我们要感谢河南省建筑教育协会及河南工业大学为全省土建类专业学生提供交流的平台，这让我们学到了很多书本上学不到的新知识，给繁忙的学习生活增添一道靓丽的风景线；其次，我们要感谢土建学院领导的大力支持和指导老师为参加这次比赛所提供的帮助和指导，同时我们要感谢承办这次大赛的河南工业大学土木工程学院的全体工作人员和各位裁判给予的辛勤劳动；最后我们也要感谢兄弟院校的队员在整个过程中带来的欢乐和友谊。

我们希望这样的比赛能够定期举行，为全省土建类专业同学的交流提供一个良好的平台！参考文献[1] 孙训方, 方孝淑, 关来泰. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社,1998.[2]【美】林同炎, S·D·思多台斯伯利.结构概念和体系[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1985.[3] 肖新标, 沈火明, 叶裕明等.ANSYS7.0实例分析与应用[M]. 北京: 清华大学出版社，2004.[4] 龙驭球, 包世华, 支秉琛. 结构力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999.。