特种结构输电塔模型计算书
小组成员：王宇谈佳伟马思遥
一、设计说明
《特种结构》课程系列实践环节I——结构模型设计制作及加载竞赛模型为一个自立式输电塔模型。

模型的加载分为静加载和动加载两部分。

静荷载包括竖向加载和侧向加载，以模型的荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率。

动加载为瞬间卸去侧向重物，以模拟导线断线荷载，模型将受到一定的水平冲击荷载。

其中，制作材料由主办方提供，模型将采用木质材料制作结构构件，即主受力支承骨架结构；同时还有502胶水用于构件之间的连接、模型与底板的连接，以及现场铁块固定需要的热熔胶。

竞赛目的是为了在全面满足竞赛要求的前提下，。

赛题对参赛队员的力学分析能力、结构设计和计算能力、现场制作能力提出了较高要求。

通过自立式输电塔结构模型的设计和制作，学生进一步加深在《特种结构》课程中关于输电塔结构设计分析的理解和认识，使学生在结构知识运用能力、创新能力、动手能力、团队协作精神等方面得到全面提升。

二、结构选型
根据基本竞赛规则，结构不仅承担竖向静荷载（即铁块质量），而且需承受一定量级的动力水平荷载，在重物作用和水平动力作用两种情况下具有足够的刚度，且在最大的动力加速度不发生破坏，因此设计作品应该使结构效率最大化，即用最少的材料消耗实现结构强度和刚度的最大化。

对于结构形式及造型而言，此次结构设计竞赛规定至少包括一个自立式输电塔的基本骨架，限制了结构的高度、底层尺寸和横担设置高度的范围，横担外轮廓不得超出图示“横担界限”，规避区内不得出现任何构件。

从竞赛要求给定的平面尺寸来看，我们认为采用空间刚架结构是较理想的选择。

空间刚架具有大空间的建筑功能优势，同时在视觉上，我们也希望以尽量少的杆件形成较强大的空间结构，并通过设计等截面柱形成塔形结构来减小杆件的截面尺寸，其中充分考虑到P-⊿效应。

我们在结构选型过程中分别从结构体系及结构外形两方面进行了分析。

在结构体系的选取方面，由于刚架体系的竖向刚度较大，能承受较大的弯矩作用，且传力最为直接、高效，非常适用于较高建筑结构。

另外，从模型制作的角度看，考虑到采用单纯的木材较难实现复杂的节点形式制作以及预应力施加，因此本次结构不采用预应力结构体系（如悬挂结构、张拉结构）的设计方案。

同时此次加载过程中充分考虑到抗震或者动力效应的刚性作用，我们在模型表面布置交叉撑杆。

一方面，交叉斜撑可以限制结构在动力作用下的位移；另一方面，交叉斜撑有利于改善结构的侧向刚度。

我们设计模型秉持“强柱弱横梁，多用拉杆，少用压杆”的设计理念，模型
的主要受力构件应合理布置，整体结构应体现“创新、轻巧、美观、实用”的原则。

三、结构建模
根据此次竞赛要求，砝码加载会单向进行，但加载方向将会根据抽签方式决定，所以采用轴对称的外形，俯视图每层基本为类正方形，已达到各向同性的目的。

因为此次设计的结构是高耸输电塔结构，根据尽量将建筑物重心放低的思路，将采用底大上小的结构。

在全面满足竞赛要求的前提下，我们对模型作如下设计：（1）模型总高为600mm；楼板所使用材料为W22木材（2mm×2mm木材）制作截面为8mm×8mm的箱型截面柱；
（2）模型底层面积为200mm×200mm，但是不是正规正方形，每边有相应变形设计；
（3）柱子：本设计方案采用的柱子截面形式为加劲槽形管，构件采用等截面形式。

其中槽形管内一定间隔添加加劲肋，以增强其整体性。

下图变截面构件的实体效果图。

等截面柱子为8mm*8mm；
（4）楼板：为增强楼板的整体性及柱子与楼板之间的连接，我们采用楼板梁为6mm×6mm木材，楼板梁之间啮合以提高楼板的整体性。

详图如下：
（5）综上所述，我们现用CAD和分析软件画出我们模型的主要结构，如下图所示：
立体图：
正视图：侧视图：
俯视图：
（6）结构优化
考虑到真实试验中可能出现的特殊情况，模型制作中的误差和精度问题，还有给结构留有足够的冗余度，我们在原有模型的基础上增添了横隔和斜撑，设计成以下的优化模型：
四、受荷分析
利用Midas有限元分析软件模拟实际竞赛加载对模型进行加载，下面得出加载数据：
（1）反力
（2）位移
（3）应力
（4）整体应力
五、现场加载情况（照片）
六、加载破坏情况与设计计算对比分析
（1）加载破坏情况：
主要破坏形态：在动力加载中通过2级，3级加载时出现横担两侧直接拉断，上部斜撑断裂。

主要破坏原因：横担强度不够。

另外横担刚度太低，导致加载时两侧直接被拉断。

（2）模型破坏分析：
柱子虽然里面加了小插片，但是为了减轻重量，上部斜撑也是用的比较细的木条，同时将柱子的截面尺寸做的较小，最后破坏的时候发现也有一根柱子拉断了。

我们柱脚做的很牢固，加载过程中没有发生掀起，在模型受水平方向的力的时候，模型下部是比较牢固的，因此柱脚没有对我们的加载结果造成影响。

（3）与设计计算对比分析：
加载破坏情况与有限元分析计算结果吻合度较差，模型强度、可靠度、预计破坏位置没有达到我们预期目标。

试验结果的离散性较强的主要原因：
1、木材的各向异性
2、模型制作的精细程度
3、试验加载的不稳定性
七、总结
通过以上理论分析和模型试验，表明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。

经过这次比赛的锻炼，我们这些还未经过较多工程实践的本科生获益良多。

在这个过程中，我们所学过的力学知识和工程设计知识得到了最大化地应用，强化了结构分析和结构设计基本概念，对结构设计原理有了更深入的认识。

八、参考文献
[1]. GB50009‐2006. 建筑结构荷载规范.
[2]. JGJ99‐98. 高层民用建筑钢结构技术规程.
[3]. JB50017‐2003. 钢结构设计规范..
[4]. 陈国兴等. 工程结构抗震设计原理. 中国水利水电出版社. 2009.
[5]. 陈绍蕃. 钢结构设计原理.科学出版社. 2005
[6]. GB 50005-2003. 木结构设计规范
[7]. 潘景龙,祝恩淳. 木结构设计原理. 中国建筑工业出版社. 2009。