高跷结构设计计算书
作品名称
参赛人员
参赛学校
专业班级
指导教师
一．设计说明 (3)
1.方案构思 (3)
2.结构选型 (3)
3.结构特色 (5)
二．方案设计 (6)
1.设计基本假定 (6)
2.材料性能分析 (6)
3.材料截面选择 (7)
4.模型结构图 (8)
5.节点详图 (9)
6.主要构件材料表及结构预计重量 (11)
三．计算机分析模拟 (13)
1.有限元模型的建立 (13)
2.结构静力的分析 (13)
3.变形图 (14)
4.自由度分析 (15)
5.应力分析 (17)
四.结构设计总结 (18)
1.总结 (18)
2.参考 (18)
1.方案构思
模型主要承受选手800N的竖直静荷载和在动载过程中的冲击荷载竖向静荷载较容易满足，而竖向冲击荷载对结构的刚度要求高，同时要求结构能够承受一定的抗剪和抗扭能力。
通过合理的设计结构，从而保证结构在行走过程中有足够的强度，刚度，稳定性。
设计原则：考虑到模型的主要承载在竖直位置，所以尽可能的利用竖向支撑的4根立杆来提高模型的承载力，在立杆旁加细杆起到辅助支撑的作用，同时也可以保证模型在行走转弯过程中的抗扭，抗弯性能。
2.结构选型
由于三角形具有较强的稳定性，而且在平面上容易找平，我们选择三角形为主体结构框架，我们以空间刚架为主导。
图1右展示了高跷结构中间位置的设计图。
结构的左右两部分为对称结构。
如图1右所示，3杆为T截面杆，既能满足结构的受力要求还能减轻结构的质量。
1杆为截面为12X6的矩形截面杆，考虑到在动载的过程中1杆所受的弯矩较大，所以采用b=6 h=12的方式以提高I值。
3,4杆分别为立柱和底座。
图一
平面刚架架之间通过横向系斜杆连接以防止面外失稳，增强了结构的整体性。
本次比赛规定的尺寸为：高度265mm、上平面长400mm 宽150mm、下平面长不超过200mm宽不超过150mm。
我们设计的结构的主要构件尺寸如图4所示。
3.结构特色
这个名为漫步云端的结构是在我们制作结构对结构进行试验的多次循环反复而后的出来的结构，它凝聚了所有的试验所得的经验。
它的优点
（1）从结构外形来看，我们采用梯形做主体形状，受力均
匀。
载方便，上宽下窄，形状渐随着高度逐渐变化。
（2）针对结构的受力特点和位移情况，选择四边形子并且在柱内增加了T字形柱，成为我们结构一大特色。
（3）主梁与底座之间相连时，节点通过端点延伸木条结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。
（4）主要受力柱子采用简单的立柱经济实用。
受力均匀，加载方便，质量轻巧，有效利用空间。
二．方案设计
1.设计基本假定
（1）木条材质连续均匀。
（2）各个节点按刚节点计算，支座为固定支座。
加载时竖直静荷载为均布荷载作用在整个层面上，后以此传递。
（3）杆件计算时采用钢结构计算模式。
2.材料性能分析
木材
本次竞赛中使用的桐木材料，有三种规格：4×6mm、2×6mm、1×55mm、2×4mm。
木材有顺纹与横纹之分，顺纹力学性能较好，抗拉强度达30MPa，顺纹弹性10
MPa。
横纹力学性能则较差。
在设计与制作过程中，1.04
我组充分利用竹材顺纹的拉压性能，尽量减小对木纤维的破坏。
与其它材料相比，木材的延性较好，设计时做了充分的
考虑。
胶水
根据赛题规定，502胶水用作主体结构的粘结，涂胶的质量直接影响整个结构的性能，涂胶时应做到适量、均匀。
502胶水的腐蚀性较强，使用时要非常小心，且其挥发较快，涂胶之后应马上粘贴，否则粘结强度将会受到严重影响。
热溶胶
热熔胶用于鞋与踏板，踏板与模型的固定，根据比赛规定，如果在加载过程中有脱落视为加载失败。
故研究热熔胶粘结意义重大。
在试验中发现，热溶胶在模型与踏板中粘结性比鞋与踏板中强。
所以加强鞋与踏板的连接就非常重要。
3.材料截面选择
主要受力柱采用立柱的形式，由4跟4×6mm的木条粘结而成。
形成外侧8×12mm的矩形，保证抗压的同时减轻了材料的质量。
T形柱稳定性好，我们用T型柱搭出上部的空间角锥体，使结构整体稳定。
T形柱由6×8mm腹板和4×6mm翼缘组成。
外围4根斜柱由3根4×6mm木条粘结而成。
形成6×12mm 的矩形，即保证了抗压又保证了抗弯性能。
结构内部用斜柱由2根4×6mm木条粘结而成，与结构内部立柱相连，增加结构在行走转弯过程中的抗扭矩性能。
在结构外形的选择方面，考虑到此高跷结构需承受较大的竖
向荷载，结构底座的受力最大也最为复杂。
因此底座采用截面为8X12的杆件制作，中间十字架由两根粘结好的6×8mm 杆卯榫相连，有效的加强底座连接强度。
了结构图1展示了底座结构的设计图。
图1
4.模型结构图（如图二）
图二
5.节点详图
高跷主结构通过502胶水将杆件之间进行连接。
这里列出了五种支座连接节点的构造形式，包括四根杆件相连接的复杂节点、底座外框连接节点、立柱与底座连接节点、底座十字架加固连接点、斜撑杆与外框连接点。
各自在结构中的部位
及其构造实体图如图三所示。
图三
节点1内节点1外
节点2 节点
3
节点4 节点5
6.主要构件材料表及结构预计重量（表一）
标号 形状 截面
尺寸
长度 数量
1 外框
6
×12mm
290m
m
4
2 T 字梁
翼缘
6×8mm 腹板 6×4mm
260m m
4
3 斜柱6×
8mm
260m
m
2
4 底座外框8×
12mm
长
150mm
短
134mm
4
5 底座内框8×
12mm
134m
m
2
6 立柱8×
12mm
248m
m
1
7 支杆
4×
6mm
179m
m
6
表一
结构预计重量：单个95g
三．计算机分析模拟
3.1有限元模型的建立
在进行结构内力分析时按空间刚架结构进行计算。
由于本高跷结构材
质为木材，节点处连接主要靠胶水进行粘连，连接牢固，按照刚接计
算较为合理。
所以本高跷结构在进行内力分析时，主结构设为杆单元
计算。
由于涉及杆件很多，且超静定的特性，通过手工计算难以获得
其准确的计算结果。
为此，我们根据确定的结构形式、杆件截面以及
材料属性等设计参数，在大型通用有限元分析程序ANSYS中建立结
构的分析模型。
3.2结构静力分析
由于我队的静载和动载选手体重为80Kg，因此在设计时单个高
跷结构的承载力为800N。
具体的各点受力情况为：在上图的有限元
模型中在矩形中间点的受力为200N，其他边上各点的受力都为100N。
3.3.1变形图
3.3.2.1自由度分析
3.3.2.2自由度分析
3.3.3应力分析
四．结构设计总结
总结
根据以上理论分析和模型试验，表明本次设计所选用的结构体系是合理的，构件的强度、刚度和稳定性均满足设计要求，且质量较轻。
回顾这一个多月来的备战，我们收获颇丰。
在备战过程中，我们对于结构概念布置、结构抗震设计以及结构分析等方面都有了较深的认识，同时将所学知识应用于实践。
在模型制作出来之后我们队的队长张帆积极的进行动载测试，通过了多次的动载他积累了很多在绕标竞速中的技巧。
在失败的时候，我们并没有气馁，在成功的时候，我们欢欣鼓舞，更有信心去迎接进一步的挑战。
在这个过程中，我们也深深体会到了团队合作的重要性，哪里有困难大家都积极地思考、解决。
参考书目
材料力学第四版刘鸿文主编高等教育出版社
结构力学第三版龙驭球主编高等教育出版社
《木结构设计原理》潘景龙祝恩淳中国建筑工业出版社2.应用软件
AUTOCAD2007
Solidworks2010
Ansys14.0。