1、竹皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作參照手冊(cè)（第二版）學(xué)校：中國(guó)石油大學(xué)（華東）專業(yè)：土木匠程系指導(dǎo)老師：楊文東編制人員：鄒翼程玉珍王慶曹文鄒鵬宇2017年4月1日參照論文：竹皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作解析前言為了迅速提高參賽選手在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽上的競(jìng)爭(zhēng)力，依靠國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱：木質(zhì)雙塔連體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作：項(xiàng)目編號(hào)：201610425042）由我校參加華東地域第十二屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的指導(dǎo)老師和比賽選手組成編寫(xiě)小組，編制了竹皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作參照手冊(cè)。在編制過(guò)程中，總結(jié)了華東地域第十二屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的比賽經(jīng)驗(yàn)及模型的制作技巧。本參照手冊(cè)只是初步對(duì)桿件性能、模型設(shè)計(jì)和制作技巧進(jìn)行總結(jié)

2、，還有大量的后續(xù)工作仍待此后的參賽選手和老師進(jìn)行補(bǔ)充與修訂。競(jìng)賽模型為木質(zhì)雙塔連體結(jié)構(gòu)，采用竹皮材料制作，模型由主塔樓和連廊共同組成，模型制作完成后，與木質(zhì)底板固定，木質(zhì)底板采用夾具固定于加載臺(tái)上進(jìn)行加載。圖1為連體結(jié)構(gòu)模型示意圖。賽題詳細(xì)要求見(jiàn)附錄。圖1目錄材料與工具21材料21.2工具32構(gòu)方法淺析42.1構(gòu)型42.2構(gòu)解析53構(gòu)的制作83.1制作前期準(zhǔn)83.2制作工11構(gòu)件與構(gòu)的化與新154.1構(gòu)件的化與新154.2構(gòu)的化與新204.3構(gòu)的化想26致26附第十二屆構(gòu)大2711材料與工具1.1材料1.1.1竹皮有如下三種規(guī)格：竹材規(guī)格1250 x430 x0.50mm1250 x430 x

3、0.35mm1250 x430 x0.20mm款式本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮力學(xué)性能參照值：彈性模量1.0 x104MPa,抗拉強(qiáng)度60Mpa，抗壓強(qiáng)度20MPa，泊松比0.311.1.2502膠水（1）應(yīng)選擇質(zhì)量較好的膠水。502膠水的質(zhì)量參差不齊，選擇一種能瞬粘且粘性強(qiáng)的膠水對(duì)模型制作有很大的幫助。（2）502膠水同鐵制品的粘結(jié)力衰，在制作桿件時(shí)，可在下方鋪鐵皮或其余鐵制品，以防桿件與桌面粘接及桌子的破壞。21.2工具砂紙打磨桿件端部，獲得所需要的桿件精準(zhǔn)尺寸打磨結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處接觸面以增加接觸面積橡皮、直尺、鉛筆在竹皮上繪制桿件平面設(shè)計(jì)圖剪刀、美工刀切割修剪材

4、料鑷子用以?shī)A持細(xì)小構(gòu)件，防備膠水粘手橡膠手套防備雙手（也能夠用膠布纏繞指尖）3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法淺析設(shè)計(jì)模型前應(yīng)付賽題有充分的認(rèn)識(shí)，包括所使用材料的力學(xué)性能（如竹皮的順紋抗拉強(qiáng)度優(yōu)越），模型的加載方式及其比賽得分算法（重要）。2.1結(jié)構(gòu)選型結(jié)構(gòu)采用竹皮作為材料，結(jié)點(diǎn)粘接較為牢固，且在實(shí)際制作中結(jié)點(diǎn)可加強(qiáng)辦理，因而結(jié)點(diǎn)可視為剛結(jié)點(diǎn)。賽題要求該結(jié)構(gòu)擁有一定豎向承載力的同時(shí)擁有較大的抗側(cè)剛度，下面以結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件為例，闡述結(jié)構(gòu)選型過(guò)程受騙算機(jī)協(xié)助設(shè)計(jì)的方法。選擇知足賽題要求的抗側(cè)力構(gòu)件如圖2所示，分別為純矩形剛架、三角剛架及內(nèi)部設(shè)置斜桿的矩形剛架。圖2結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件2.1.1抗側(cè)力構(gòu)件的定性解析純矩形剛

5、架其側(cè)向位移主要源于豎桿的彎曲變形，其內(nèi)部無(wú)抗側(cè)力桿件，雖然節(jié)儉材料但抗側(cè)剛度較小。三角剛架其側(cè)向位移主要源于斜桿的拉壓變形，能節(jié)儉材料的同時(shí)抗側(cè)剛度較大。內(nèi)部設(shè)置斜桿的矩形剛架其側(cè)向位移根源主假如斜桿的拉壓變形及豎桿的彎曲變形，其抗側(cè)剛度同樣較大，但所需材料較多。2.1.2抗側(cè)力構(gòu)件的定量解析假設(shè)桿件截面如圖3所示，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器簡(jiǎn)要解析知足賽題要求的結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件，解析數(shù)據(jù)如圖4?？山?jīng)過(guò)指定點(diǎn)的位移大小及構(gòu)件質(zhì)量（正比于桿件長(zhǎng)度總和）進(jìn)行抗側(cè)構(gòu)件合理性的定量判斷。求解器所需的截面力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算：EA=2010-61010=2105PaI=100.5252+10.51032=333mm4

6、12-121010m2圖3假設(shè)桿件截面圖EI=33310=3.33N4三種抗側(cè)力構(gòu)件的質(zhì)量比（構(gòu)件長(zhǎng)度比）：1400:1120:2040=1.25:1:1.82在單位力下極點(diǎn)的水平位移比值為：74.9:3.28:2.17=22.8:1:0.67能夠看出，純矩形剛架雖然質(zhì)量較小，但由于荷載條件下其水平位移大，抗側(cè)剛度遠(yuǎn)小于其余兩種抗側(cè)力構(gòu)件，因而首先進(jìn)行淘汰。再來(lái)定量比較三角剛架和內(nèi)部設(shè)置斜桿的矩形剛架，由于模型加載的最終得分同模型的質(zhì)量和測(cè)量點(diǎn)發(fā)生的位移之積成反比。則估算采用三角剛架與采用內(nèi)部設(shè)置斜桿的矩形剛架做為抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)模型得分之比為：1.820.67：11=1.22:1因而選擇三角剛架

7、作為模型的抗側(cè)力構(gòu)件圖4抗側(cè)力構(gòu)件解析圖時(shí)模型的得分可能更高。2.2結(jié)構(gòu)的解析模型的抗側(cè)力構(gòu)件確定后進(jìn)一步進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)的解析：采用圖5所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。2.2.1結(jié)構(gòu)的定性解析豎向荷載加載解析:結(jié)構(gòu)一豎向承重構(gòu)件跨度較小，采用連續(xù)梁來(lái)承受豎向荷載，不單有效減小了跨中彎矩的大小，還使橫梁受力更加平均。該結(jié)構(gòu)擁有一定的豎向抗彎剛度。結(jié)構(gòu)二豎向承重構(gòu)件跨度較大，采用組合結(jié)構(gòu)來(lái)承受豎向荷載，極大地增加了結(jié)構(gòu)的豎向抗彎剛度，且結(jié)構(gòu)受力更加平均。水平荷載加載解析:結(jié)構(gòu)一的抗側(cè)力構(gòu)件為與水平荷載平行的內(nèi)部設(shè)斜桿的矩形剛架，但由于賽題限制，該結(jié)構(gòu)第一層有一部分不能設(shè)置斜桿，因而在該平面內(nèi)的抗側(cè)剛度顯著降低。

8、而結(jié)構(gòu)二的抗側(cè)力構(gòu)件除了與水平荷載平行的三角剛架外，還有與水平荷載垂直的三角剛架,其抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)一。5其他，結(jié)構(gòu)二抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)置的豎桿數(shù)量為結(jié)構(gòu)一的兩倍，而結(jié)構(gòu)一內(nèi)部設(shè)置較多斜桿，雖然無(wú)法定性判斷結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)二的質(zhì)量大小，但根據(jù)結(jié)構(gòu)二優(yōu)越的豎向抗彎剛度和抗側(cè)剛度可認(rèn)為結(jié)構(gòu)二更加合理。圖5.1模型結(jié)構(gòu)一示意圖圖5.2模型結(jié)構(gòu)二示意圖2.2結(jié)構(gòu)的定量解析解析方法:借助CAD3D協(xié)助設(shè)計(jì)迅速完成模型單調(diào)桿件的創(chuàng)立，并進(jìn)行抽殼辦理，使桿件形式同實(shí)際桿件相切合。然后采用布爾運(yùn)算將模型合成整體后刪去多余的線面，形成sat文件。再導(dǎo)入ANSYS內(nèi)，在模型上施加切合賽題要求的荷載，采用擁有20節(jié)點(diǎn)的so

9、lid95單元求解。求解后，經(jīng)過(guò)模型的受力變形能夠預(yù)測(cè)模型的位移，經(jīng)過(guò)模型的體積比能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比，以此來(lái)定量權(quán)衡模型的優(yōu)越。需要注意的是：建模過(guò)程中模型結(jié)點(diǎn)處應(yīng)連續(xù)無(wú)突變，以防備智能區(qū)分網(wǎng)格過(guò)密，致使求解困難。其他由于ANSYS本身沒(méi)有單位設(shè)置，CAD導(dǎo)出的模型尺寸默認(rèn)單位一般為mm，應(yīng)注意單位之間的換算。解析數(shù)據(jù):結(jié)構(gòu)的解析數(shù)據(jù)如圖6。強(qiáng)度校核采用第四強(qiáng)度理論顯示應(yīng)力云圖。從中能夠看出，結(jié)構(gòu)一在豎向荷載下最大應(yīng)力較大，高達(dá)55MPa，湊近竹皮材料的極限抗拉強(qiáng)度60MPa。說(shuō)明其豎向承重構(gòu)件設(shè)置不合理。結(jié)構(gòu)二最大應(yīng)力均不超過(guò)23MPa，能知足強(qiáng)度要求。6圖6結(jié)構(gòu)解析數(shù)據(jù)圖模型得分比較結(jié)構(gòu)

10、一與結(jié)構(gòu)二的質(zhì)量等于其體積比。質(zhì)量比為：268492:285933=0.94：17假設(shè)經(jīng)過(guò)不同加載要求的最輕模型重量一致，經(jīng)過(guò)位移及質(zhì)量計(jì)算模型的得分比：豎向荷載作用下得分：結(jié)構(gòu)一20；結(jié)構(gòu)二200.94=18.8水平力作用下得分：結(jié)構(gòu)一25；結(jié)構(gòu)二250.944.20/0.87=113.4水平扭矩作用下得分：結(jié)構(gòu)一30；結(jié)構(gòu)二300.941.21/0.61=56.0結(jié)構(gòu)一總分：20+25+30=75結(jié)構(gòu)二總分：18.8+113.4+56.0=188.2模型得分比：結(jié)構(gòu)一：結(jié)構(gòu)二=75：188.2=1：2.51從模型的可能得分上看，結(jié)構(gòu)二顯然優(yōu)于結(jié)構(gòu)一，因此選擇結(jié)構(gòu)二作為模型結(jié)構(gòu)的最終形式。結(jié)

11、構(gòu)的實(shí)際制作3.1制作前期準(zhǔn)備確定模型的結(jié)構(gòu)形式后就能夠開(kāi)始模型的實(shí)際制作。如圖7，經(jīng)過(guò)CAD3D建模導(dǎo)出模型的三視圖及軸測(cè)圖，以對(duì)模型的外輪廓產(chǎn)生直觀印象。其他，經(jīng)過(guò)單調(diào)桿件的放樣可提取桿件的外輪廓尺寸并在平面內(nèi)進(jìn)行展開(kāi)，獲得桿件的平面設(shè)計(jì)圖9。圖9中總合有12類桿件，各個(gè)桿件所處的地點(diǎn)和所需的數(shù)量可經(jīng)過(guò)模型軸側(cè)圖及桿件平面設(shè)計(jì)圖參照得出。這種經(jīng)過(guò)放樣制作桿件的方法保證了桿件制作的精準(zhǔn)尺寸，在制作異型結(jié)構(gòu)模型時(shí)，解決了模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)所需面對(duì)的制作工藝繁瑣的難題，為優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際制作提供了保障。其他，制作完成的桿件基本上無(wú)需打磨就能完成結(jié)構(gòu)的裝配，在防備了裝配應(yīng)力的產(chǎn)生的同時(shí)，極大地加速

12、了模型的制作速度，提高了模型制作的質(zhì)量。8圖7結(jié)構(gòu)三視圖及軸測(cè)圖圖8經(jīng)過(guò)放樣制作的桿件及拼裝的結(jié)構(gòu)9注：平面設(shè)計(jì)圖中綠色、黃色、青色與藍(lán)色部分為桿件的四面竹皮，紅色部分為需要裁剪掉的竹皮。其他，為防備加載過(guò)程中桿件由于加載處局部壓應(yīng)力過(guò)大而破壞，桿件內(nèi)部進(jìn)行了局部加肋辦理。圖9桿件平面設(shè)計(jì)圖103.2制作工藝3.2.1桿件的結(jié)構(gòu)形式桿件的結(jié)構(gòu)形式（借鑒鋼結(jié)構(gòu)，未實(shí)測(cè)）認(rèn)識(shí)各樣桿件截面形式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的截面形式。本次模型的桿件結(jié)構(gòu)形式本次模型采用內(nèi)部加肋的桿件形式，桿件效果圖及內(nèi)部肋的圖片如下。桿件效果圖桿件內(nèi)部肋的形式實(shí)物圖123.2.2桿件制作方法以本次桿件制作為例，詳細(xì)制作方法如下。

13、桿件外皮用鉛筆繪制外皮輪廓。經(jīng)過(guò)剪刀或夾板刀沿輪廓線裁斷。由于竹皮質(zhì)地粗拙，將裁剪完的竹條用砂紙打磨，打去竹皮的毛邊，這樣便于502膠的粘合。13輕輕劃過(guò)外皮四個(gè)面之間的空隙，沿劃過(guò)的印跡輕輕折起外皮，方便桿件粘合。但不要完全裁斷，以保存部分強(qiáng)度，防備桿件受力時(shí)外皮之間崩開(kāi)。桿件內(nèi)部肋畫(huà)出要制作肋的形狀，沿肋的寬度方向輕輕刻劃，不需刻斷（方便折疊）。沿長(zhǎng)度方向裁下肋條，并將肋按照最后形狀折好，待用。14桿件的粘接粘接時(shí)借助鑷子擺好肋后即可滴膠，注意膠水用量切勿過(guò)多，以防增加桿件不必要的重量。為增加節(jié)點(diǎn)處的接觸面積，增加桿件的強(qiáng)度，可在桿件端部加一橫隔。153.2.3模型的整體拼裝桿件的準(zhǔn)備確定

14、所有種類桿件的根數(shù)及制作質(zhì)量無(wú)誤后，即可開(kāi)始模型整體拼裝。建議制備桿件時(shí)，可多做幾根同種類的桿件備用，拼接模型時(shí)能夠采用精良的桿件。基本構(gòu)件的拼接先將基本構(gòu)件所需拼接的地點(diǎn)用鉛筆標(biāo)記，后拼接。拼接時(shí)下部可鋪設(shè)膠帶一層，防備構(gòu)件與桌子相連。且拼接桿件時(shí)注意根據(jù)內(nèi)部肋的方向及桿件的受力形式確定桿件的放置方式。16拼接中不易粘合的結(jié)點(diǎn)可加竹皮，增加接觸面以加大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。模型的整體拼裝將桿件的定位標(biāo)記畫(huà)在最薄的竹皮紙上，待模型粘接完成后拆下即可。結(jié)構(gòu)拼接時(shí)需要多人共同合作完成。精準(zhǔn)定位每根桿件的地點(diǎn)，防備在拼接時(shí)產(chǎn)生不必要的裝配應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)受力性能。173.2.4模型的結(jié)點(diǎn)辦理模型結(jié)點(diǎn)空隙的填塞桿件

15、的尺寸同設(shè)計(jì)要求難免存在誤差，所以桿件的連結(jié)處也難免存在縫隙，這時(shí)將空隙用竹皮填滿，滴上502膠水即可。由于502膠水的強(qiáng)度高于竹皮強(qiáng)度，這樣做能夠加強(qiáng)結(jié)點(diǎn)的連結(jié)。模型結(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)有時(shí)模型結(jié)點(diǎn)受力較大且受力復(fù)雜，為防備節(jié)點(diǎn)的破壞，可于節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加強(qiáng)辦理。18構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的的優(yōu)化與創(chuàng)新4.1構(gòu)件的優(yōu)化與創(chuàng)新4.1.1桿件的研究說(shuō)明桿件的受彎性能模型加載中，豎向荷載下主梁的受彎承載力需達(dá)到要求，其他，水平荷載下結(jié)構(gòu)的位移量與柱的抗彎剛度也親密有關(guān)，因此主要研究桿件的受彎性能。桿件的尺寸預(yù)計(jì)承受豎向荷載主梁的長(zhǎng)度為400mm,所以桿件的研究長(zhǎng)度一律取400mm，桿件兩頭各取20mm固定在桌子上，經(jīng)過(guò)50

16、2粘接牢固，視作固定端（實(shí)際加載中桿端竹皮會(huì)同桌面分別，桿端截面仍會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)），有利于跨中彎矩的降低，且與實(shí)際模型中主梁受力較切合。其他，由于桿件內(nèi)部結(jié)構(gòu)方式眾多，只研究?jī)?nèi)部加肋的桿件形式。，桿件照片19桿件的質(zhì)量模型的計(jì)分方法同模型質(zhì)量有關(guān)，模型越重，計(jì)分越低，因此主要研究桿件的承載力與質(zhì)量關(guān)系。記錄桿件質(zhì)量后，于桿件跨中加集中荷載，測(cè)量桿件的受彎承載力及相應(yīng)荷載下的跨中撓度。4.1.2桿件的承載力及變形研究桿件內(nèi)部肋的密度較稀疏時(shí)，取不同截面尺寸的桿件研究。將桿件內(nèi)部肋的密度加大，研究肋的密度對(duì)桿件承載力的影響。還研究了工字鋼桿件性能。肋較密集的桿件加載圖片工字鋼桿件加載圖片20加載數(shù)據(jù)記錄表

17、桿件承載力跨中受集中/N（桿件拉平均跨桿件平跨中彎邊長(zhǎng)/mm桿件編號(hào)質(zhì)量/g力6.3N，跨斷或跨中撓平均質(zhì)矩計(jì)算中撓度均承載中撓度/mm度超過(guò)量/g值N-mm/mm力/N10mm）13.74.8815.5377（三23.58.039.453.658.739.4094.0面）33.912.836.3043.59.196.3054.66.9512.6065.23.7015.757774.93.3212.604.884.1012.60126.0853.4512.6094.73.099.45104.83.409.4599（三115.23.1015.824.9756.629.4794.7面）124.91

18、0.006.3013510.006.30146.52.9115.8299156.42.619.456.352.0314.21142.1166.41.3122.12176.11.309.451111188.21.0522.128.151.4125.19251.9（五面）198.11.7628.25207.80.5412.501111217.32.9112.507.551.9015.65156.5227.41.7612.50237.72.4025.1013132411.70.4337.752511.60.6047.2011.270.5636.65366.5（五面）2610.50.6625.0027

19、9.90.8622.27289.61.1222.271313299.60.9412.759.620.8725.83258.3309.60.7040.07319.40.7331.79加載數(shù)據(jù)表21跨中承承載載12.75N邊長(zhǎng)1.275N力時(shí)位/mm集中力移均值位移/mm/mm15151.938（方0.870形）1.3301.152跨中1/3處1.120加箍0.5000.82015150.670（方0.8720.845形）不加箍0.9820.88015100.8680.740（矩形）跨0.9100.850中1/30.600處加箍1.1300.9801515（矩1.0000.851形）不加箍0.72

20、00.7052.00015150.3500.5150.701工字鋼0.2900.349跨中承載25.50N集中力位移/mm2.9881.8502.4802.4601.0701.9051.9051.7452.0102.7601.7802.0501.8201.7702.6202.0302.1002.7701.6602.5300.7100.9150.6500.805承載25.50N力時(shí)位移均值/mm2.1702.0652.0082.1401.122跨中承載38.25N集中力位移/mm5.2381.9955.1403.3402.7512.9005.9403.0001.0801.5251.5951.34

21、0承載38.25N力時(shí)位移均值/mm3.6173.7444.4201.708跨中桿件跨中質(zhì)量承載承載桿件質(zhì)量/g力均均值力/N/g值/N41.411.857.3612.737.546.81212.4237.512.860.312.835.0710.847.8111.150.8545.211.511.1654.1911.438.241144.6110.438.259.138.2538.99.79.6231.81041.48.938.258.638.2539.08.58.7041.448.738.25963.7416.754.1517.55158.016.716.905116.470.1117.2

22、224.1.3桿件研究結(jié)論當(dāng)桿件肋的密度一準(zhǔn)時(shí)，關(guān)于四面均有竹皮包裹的桿件（包括工字鋼型桿件），跨中承載力與桿件質(zhì)量（邊長(zhǎng)）成一次關(guān)系，可經(jīng)過(guò)該關(guān)系近似估算所做桿件的承載能力。當(dāng)肋的密度較稀疏時(shí)，三面桿件，四面桿件同五面桿件相比，承載力值與質(zhì)量值之比最高的是受壓側(cè)加厚的五面桿件，因?yàn)槔叩拿芏认∈?，?dāng)荷載加大時(shí)，起先受壓側(cè)竹皮與側(cè)壁及內(nèi)部肋分別，后上部竹皮被壓曲，最終桿件喪失持續(xù)承載的能力。桿件發(fā)生受彎破壞。當(dāng)桿件內(nèi)部肋密度加密時(shí)，桿件于承受荷載處發(fā)生局部受壓破壞。由“桿件承載力與質(zhì)量關(guān)系圖”可看出桿件的荷載值與質(zhì)量值之比顯著增加，說(shuō)明增加肋的密度對(duì)桿件的承載能力起控制作用。4.1.4桿件的優(yōu)化

23、建議當(dāng)肋的密度一準(zhǔn)時(shí)，桿件的承載能力與其質(zhì)量（邊長(zhǎng)）呈正比。而改變肋的密度時(shí)，發(fā)現(xiàn)桿件內(nèi)部肋的密度對(duì)桿件承載能力起控制作用，因而盡量加大桿件肋的密度能獲得較為經(jīng)濟(jì)的桿件。但桿件內(nèi)部的肋不可能無(wú)限加密，比方肋的密度到10mm間隔時(shí)，制作就很麻煩。因而桿件內(nèi)部肋間距為10mm是一種較優(yōu)的桿件形式。23還需對(duì)其余結(jié)構(gòu)形式桿件力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以獲得更加經(jīng)濟(jì)的桿件結(jié)構(gòu)形式。4.2結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施加預(yù)應(yīng)力能顯著增大結(jié)構(gòu)的有關(guān)剛度，有效減小結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)提高模型競(jìng)爭(zhēng)力十分有利。下面將以模型中承受豎向荷載的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程為例，詳述預(yù)應(yīng)力的施加技巧。組合結(jié)構(gòu)桿件截面尺寸如圖10。在賽題要求的

24、豎向荷載下其計(jì)算簡(jiǎn)圖及內(nèi)力圖如圖11。桿件截面參數(shù)在結(jié)構(gòu)的選型中已進(jìn)行計(jì)算，不再贅述。受拉竹皮截面面積：A=100.2=2mm2EA=210-61010=2104Pa圖10桿件截面設(shè)計(jì)圖圖11組合結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖及內(nèi)力圖設(shè)計(jì)4.2.1強(qiáng)度校核由內(nèi)力圖能夠看出，各桿件剪力極小，因此在強(qiáng)度校核中可忽略不計(jì)，只考慮軸力及彎矩對(duì)桿件的影響。桿件危險(xiǎn)截面位于計(jì)算簡(jiǎn)圖中3號(hào)節(jié)點(diǎn)的左側(cè)，其軸力為-53.13N,截面彎矩為0.31Nm。下部受拉竹皮只受大小為58.15N的軸力。驗(yàn)算桿件的最大正應(yīng)力53.150.313桿件=20+333510=2.66+4.65=7.31MPa壓=20Mpa驗(yàn)算竹皮的抗拉強(qiáng)度245

25、8.15竹皮=2=29.08MPa拉=60MPa4.2.2預(yù)應(yīng)力技巧詳細(xì)實(shí)施過(guò)程如圖12所示，上部壓彎桿件施加與賽題方向相反的豎向荷載（實(shí)際為2N），使桿件彎曲，然后在該狀態(tài)下粘貼竹條，待其粘接牢固后撤去作用于桿件上的豎向荷載，此時(shí)由于桿件要恢復(fù)受彎變形，而竹皮由于受拉限制桿件的變形恢復(fù)，因此竹皮繃緊且桿件微微起拱，壓彎構(gòu)件在加載前上表面受拉下表面受壓。經(jīng)實(shí)際加載考證,承受豎向荷載的組合結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力后結(jié)構(gòu)的豎向變形小于0.1mm，遠(yuǎn)小于山東賽區(qū)中0.55mm的豎向平均位移，可見(jiàn)其效果顯著。圖12組合結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程4.2.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程理論計(jì)算同實(shí)際情況總有進(jìn)出，實(shí)驗(yàn)是查驗(yàn)結(jié)構(gòu)合理性最有效的

26、方法。如圖是按照原有設(shè)計(jì)方案做成的承受豎向荷載的組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中數(shù)次發(fā)生脆性破壞，由于破壞擁有突然性，僅憑肉眼根本無(wú)從鑒識(shí)破壞的初步點(diǎn)，破壞原因只得經(jīng)過(guò)錄制破壞過(guò)程后運(yùn)用視頻軟件調(diào)節(jié)每一幀的畫(huà)面后察看發(fā)現(xiàn)。破壞的起點(diǎn)在于受拉竹皮的斷裂：由于竹皮粘接過(guò)程中難免會(huì)使竹皮面傾斜，承受荷載時(shí)，竹皮截面的拉應(yīng)力并非平均，這與理論計(jì)算不相切合。而當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)竹皮抗拉強(qiáng)度時(shí)，竹皮開(kāi)始斷掉，然后整個(gè)組合結(jié)構(gòu)破壞。25圖13組合結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)破壞展示如圖14為最終成功的實(shí)驗(yàn)方案。采取的解決方法為加厚受拉竹皮的厚度，在原來(lái)0.2mm的竹皮上持續(xù)粘貼一層0.35mm的竹皮，保證了竹皮的受拉強(qiáng)度。圖14組合

27、結(jié)構(gòu)成功加載展示4.3結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)想關(guān)于承受豎向荷載的拱構(gòu)件，為充散發(fā)揮竹皮受拉性能，增加截面剛度，減小跨中撓度，對(duì)竹皮預(yù)先施加了預(yù)應(yīng)力。關(guān)于模型整體，為減小其在荷載下的變形，充散發(fā)揮竹皮材料的受拉性能，同樣能夠采用施加預(yù)應(yīng)力的方式，在荷載施加前讓受拉竹皮（受拉桿件）繃緊，減小模型的受力變形，提高模型得分。道謝：感謝中國(guó)石油大學(xué)（華東）土木匠程系的楊文東副教授對(duì)模型試驗(yàn)提供的指導(dǎo)和幫助。感謝中國(guó)石油大學(xué)（華東）黃思凝老師為模型的研究過(guò)程提供了難得的結(jié)構(gòu)大賽試驗(yàn)數(shù)據(jù)。26附錄華東賽區(qū)第十二屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題（一）模型要求底板：連體結(jié)構(gòu)模型底部采用502膠水固定于960mm360mm80mm的木質(zhì)

28、底板上，底板用夾具固定于加載臺(tái)上。模型大?。耗Ｐ驮敿?xì)尺寸要求如圖2所示，模型總高度應(yīng)為625mm，允許誤差為5mm?？偢叨葹槟举|(zhì)底板頂面至模型頂面上表面的垂直距離。塔樓尺寸范圍不得超過(guò)200mm200mm625mm的立方體，連廊側(cè)立面投影尺寸范圍不得超過(guò)200mm125mm的長(zhǎng)方形，模型形狀及結(jié)構(gòu)體系由參賽隊(duì)自行確定，但塔樓及連廊的平面輪廓線必須經(jīng)過(guò)圖2(b)的模型輪廓點(diǎn)。樓層數(shù)：塔樓模型必須擁有3個(gè)樓層，底板視為模型第一層樓面。除第一層以外，每層樓面范圍須經(jīng)過(guò)設(shè)置于邊緣的梁予以明確定義。樓層凈高：頂層凈高不應(yīng)小于95mm，其余樓層凈高應(yīng)不小于220mm。樓層凈高是指該樓層主要橫向構(gòu)件頂部與其

29、相鄰的上一樓層主要橫向構(gòu)件底部之間的最小距離。若底板上設(shè)置有地梁，則第一層凈高需自地梁頂部開(kāi)始計(jì)算；若無(wú)地梁則從底板頂面開(kāi)始計(jì)算。柱腳加勁肋、斜撐、隅撐及其他外立面構(gòu)件不影響計(jì)算樓層凈高。樓層樓板：三層樓面及屋面層必須采用12504300.35mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮進(jìn)行蒙皮，用于模擬剛性樓板協(xié)調(diào)連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，其余任何部位均不允許蒙皮，如圖3所示。使用功能要求：模型內(nèi)部空間不允許設(shè)置空間斜向構(gòu)件，模型底層正立面和背立面均必須保證有一個(gè)對(duì)齊的120mm210mm(寬高)的門(mén)洞，門(mén)洞范圍內(nèi)不允許有任何構(gòu)件。27（二）加載及測(cè)試步驟281）豎向靜力加載豎向靜力加載如圖5所示：豎向靜載由加載鐵塊施加，豎向加載地域尺寸（加載鐵塊平面尺寸）為130mm150mm，最大豎向額定加載為100N，分二級(jí)加載，每級(jí)荷載為50N。記錄每級(jí)荷載下豎向位移測(cè)量點(diǎn)豎向位移。加載完成后由裁判檢查模型，在豎向加載時(shí)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垮塌、豎向變形超過(guò)10mm都將被判斷為結(jié)構(gòu)無(wú)效，且自動(dòng)喪失后續(xù)加載資格。如二級(jí)加載下結(jié)構(gòu)破壞，則取上一級(jí)加載重量作為評(píng)分依據(jù)。（2）水平單向加載在豎向靜力加載中模型經(jīng)過(guò)100N加載未無(wú)效，則該模型可進(jìn)行水平向靜力加載，保持豎向100N靜力荷載不變，經(jīng)過(guò)拉索和滑輪施加額定水平拉力60N，記錄結(jié)構(gòu)極點(diǎn)x向水平位移Ux（包括模型傾斜惹起的位移）。加載完成后由裁判檢查模型，在水平向加載時(shí)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垮塌、