廣告牌結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型制作理論方案作品名稱參賽學(xué)校學(xué)生姓名指導(dǎo)教師聯(lián)系電話目錄序 2第1章模型方案設(shè)計 31.1結(jié)構(gòu)形式 31.2結(jié)構(gòu)選型 31.3設(shè)計內(nèi)容 41.4設(shè)計創(chuàng)新點 5第2章模型方案圖 62.1結(jié)構(gòu)三維效果圖 62.2正視圖 72.3側(cè)視圖 82.4俯視圖 9第3章模型制作 103.1制作材料及其力學(xué)性能 103.2制作要求 103.3模型制作工藝及特點 113.3.1模型材料的選擇 113.3.2模型連接工藝 113.3.3模型特色 12第4章結(jié)構(gòu)承載力分析 134.1計算假定 134.2靜荷載分析 134.2.1水平風(fēng)荷載分析 134.2.2風(fēng)荷載計算 154.3動載分析 154.4有限元分析 164.4.1有限元模型示意圖 174.4.2變形分析 204.4.3有限元內(nèi)力分析 22第5章試驗分析 245.1加載分析 245.2位移分析 24第1章模型方案設(shè)計1.1結(jié)構(gòu)形式本次模型主要承受水平風(fēng)荷載的動力作用,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜?所以,我們采用了質(zhì)量輕盈?受力合理的空間桁架結(jié)構(gòu)體系?本設(shè)計充分利用支撐框架來承擔(dān)側(cè)向作用力?結(jié)構(gòu)形態(tài)具有二重性,首先結(jié)構(gòu)形態(tài)具有合理的受力特性即理性邏輯,其次在于結(jié)構(gòu)形態(tài)具有明確的幾何形態(tài)即形態(tài)邏輯?如果做到這兩方面的完美結(jié)合,不僅能使建筑物表現(xiàn)出優(yōu)美的形態(tài),而且還能達到最為經(jīng)濟的效果?平面布局:從抗風(fēng)振角度,平面對稱?側(cè)向剛度均勻,平面長度比較接近的結(jié)構(gòu)其抗風(fēng)性能較好?綜上考慮,我們將本建筑平面做成規(guī)則對稱的三角形,使結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與抗側(cè)中心重合,這樣能夠避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)?1.2結(jié)構(gòu)選型一個成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計,對于它的形式的非常重要,在結(jié)構(gòu)選型上,我們一步步地排除認為不合理的方案?同時,我們反復(fù)實驗,不斷的找問題,去發(fā)現(xiàn)什么地方不足?每次的實驗加載,我們會把整個過程拍下來,與老師一起的討論,一起的解決問題?方向不對,努力白費,在沒有認真思考的前提做出的方案最不具有科學(xué)性,況且這次比賽的材料是集成竹,在風(fēng)荷載動力作用下,較易發(fā)生失穩(wěn)破壞和長細桿的脆性破壞?所以在每次加載后,我們都在認真的思考,最后確定了結(jié)構(gòu)形狀?結(jié)構(gòu)選型是否合理,不僅關(guān)系到是否滿足加載要求和結(jié)構(gòu)受力是否可靠,而且也關(guān)系到結(jié)構(gòu)質(zhì)量和是否方便制作等問題,結(jié)構(gòu)選型的基本原則如下:(1)滿足加載要求;(2)受力性能好;(3)制作簡單;(4)節(jié)省材料?在結(jié)構(gòu)形式選定以后,要進行結(jié)構(gòu)布置,即確定主桿?梁桿?橫撐及斜撐如何設(shè)置等問題?結(jié)構(gòu)布置的是否合理,不但影響到受力,而且影響到制作?影響到質(zhì)量等?構(gòu)件布置的基本原則是:(1)在滿足參賽要求的前提下,沿結(jié)構(gòu)模型的平面和豎向應(yīng)盡可能地簡單?規(guī)則?均勻?對稱,避免發(fā)生突變,減小偶然作用的影響范圍,防止因局部破壞引起結(jié)構(gòu)整破壞;(2)荷載傳遞路線明確,結(jié)構(gòu)計算簡圖簡單并易于確定;(3)結(jié)構(gòu)整體性好,受力可靠,重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位應(yīng)增加冗余約束或有多條傳力路徑;(4)制作簡單,受力明確,質(zhì)量輕盈?1.3設(shè)計內(nèi)容本作品結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu),分為上部和下部結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)為三角形柱體的廣告牌,柱體體面為800mm長的正三角形,側(cè)面為是200×800的長方形?下部結(jié)構(gòu)為三角形柱體的支撐結(jié)構(gòu)?底面為100mm長的正三角形?高度為1100mm(其中有1000mm在廣告牌的下方,另外100mm進入上部廣告片內(nèi))?整個支撐結(jié)構(gòu)分為七層,從下往上每層的高度分別為:110mm,100mm,100mm,100mm,100mm,110mm,120mm,120mm,120mm,120mm每兩層采用2×2mm的細桿斜拉,形成一個“X”形?三角形的豎桿為3×6mm和3×3mm粘結(jié)成的復(fù)合桿,各個斜桿與主桿之間用錨件錨固,主桿與底板接觸面用夾片夾住,增加支撐結(jié)構(gòu)與底板的接觸面積,加強抗拔強度?上部結(jié)構(gòu)為三面200×800mm白紙圍成的廣告牌結(jié)構(gòu),廣告牌的牌面長邊方向兩端采用2×2mm桿切成的長條粘結(jié),中間采用兩條2×2mm桿彎成的弧粘結(jié),以增加抗彎剛度,兩條弧間用2×2mm桿連接,增加穩(wěn)定?在三面廣告牌面的交接處,采用2×3mm桿經(jīng)過磨角粘結(jié)?在三面廣告牌面的中心支出一根垂直于牌面的3×6mm桿分別與下部支撐結(jié)構(gòu)的三個角相接,用夾片加固,在桿件離牌面大約四分之一處分別向兩邊支出3×3mm桿抵住廣告牌,最后在3×6mm桿和3×3mm桿的節(jié)點處用2×2mm桿切成的片粘結(jié)?整個結(jié)構(gòu)體系均為桁架結(jié)構(gòu)看,上部架構(gòu)簡單,受力均勻,用料少,結(jié)構(gòu)輕,下部結(jié)構(gòu)截面小,桿件布置緊湊,抗側(cè)剛度很大,抗扭也很強,當風(fēng)從正面吹來時,力從上部結(jié)構(gòu)往下傳,一直傳到最下面,支撐結(jié)構(gòu)晃動小,滿足要求?1.4設(shè)計創(chuàng)新點材料使用創(chuàng)新本結(jié)構(gòu)多處采用”細絲”進行張拉,”細絲”是用刨子經(jīng)過精心加工而成的,”細絲”的優(yōu)點在于柔性好,抗拉剛度強,風(fēng)是波動的,有很多不確定性因素,采用”細絲”,當抗彎時,由于柔度大,細絲不會折斷,當受拉是,”細絲”的強度又能達到?廣告牌結(jié)構(gòu)形式與制作創(chuàng)新廣告牌長邊方向采用”細絲”粘結(jié),中采用細桿彎拱粘結(jié),當風(fēng)吹來時,廣告牌會抖動卸能?消能設(shè)計廣告牌面設(shè)計成中間剛度大,兩側(cè)剛度小的變剛度形式?當風(fēng)荷載作用在廣告牌面上時,廣告牌中間的側(cè)移小,兩側(cè)的側(cè)移大,從而使迎風(fēng)面呈現(xiàn)出流線型的形式,從而減小風(fēng)阻,卸掉了一定的風(fēng)荷載,減輕了下部主體支撐結(jié)構(gòu)的荷載作用,大大改善結(jié)構(gòu)的受力性能?第2章模型方案圖2.1結(jié)構(gòu)三維效果圖經(jīng)過大量的方案比選,以及大量的風(fēng)荷載加載試驗,本廣告牌模型最終方案的三維效果圖如圖2.1所示?由圖2.1可以看出,本廣告牌支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量非常輕盈,結(jié)構(gòu)形式非常優(yōu)美,結(jié)構(gòu)整體造型美觀?由于采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)中每一根桿件的材料性能均得到了充分的發(fā)揮?圖2.1廣告牌模型三維效果圖2.2正視圖廣告牌模型正視圖如圖2.2所示?圖2.2廣告牌模型正視圖2.3側(cè)視圖廣告牌模型側(cè)視圖如圖2.3所示?圖2.3廣告牌模型側(cè)視圖2.4俯視圖廣告牌模型俯視圖如圖2.4所示?可以看出本廣告牌結(jié)構(gòu)非常對稱?美觀?簡潔?圖2.4廣告牌模型俯視圖第3章模型制作3.1制作材料及其力學(xué)性能(1)集成竹尺寸規(guī)格規(guī)格為3mm×3mm?3mm×6mm?3mm×2mm?2mm×2mm,長度900mm?(2)集成竹力學(xué)性能指標密度0.789g/cm3,順紋抗拉強度150MPa,抗壓強度65MPa,彈性模量10GPa?加載試驗發(fā)現(xiàn),集成竹抗拉?抗壓強度指標也均小于給定值?其中,當集成竹桿件尺寸較細長時,其抗壓強度與其紋路有較大的關(guān)系,模型制作是要特別注意各桿件的受力情況與其紋路的關(guān)系?3.2制作要求(1)廣告牌支撐結(jié)構(gòu)的高度為:1000±3mm,其水平投影尺寸不得超出300mm×300mm范圍,如圖3.1所示?(2)廣告牌的外圍水平投影為等邊三角形,邊長800±3mm;廣告牌面板高度200±3mm,面板采用紙(紙質(zhì)為70g/m2)覆面,如圖3.2所示?廣告牌模型結(jié)構(gòu)形式不限,參賽隊提交作品時須將模型固定在組委會統(tǒng)一提供的底板上?圖3.1水平投影尺寸圖3.2模型立面尺寸3.3模型制作工藝及特點3.3.1模型材料的選擇上部廣告牌結(jié)構(gòu)由2mm×2mm和2mm×3mm竹條組成?下部支撐結(jié)構(gòu)由2mm×3mm的竹條粘接成三根支柱,連結(jié)橫桿采用2mm×3mm的竹條,側(cè)面斜拉和斜拉連結(jié)桿都采用2mm×2mm的竹條?3.3.2模型連接工藝(1)上部廣告牌結(jié)構(gòu)的連接先在廣告紙上畫好各個定位點線,竹條依次按照設(shè)計規(guī)格切好,把竹條依次放在廣告紙上擺好位置,再用膠水黏貼?廣告牌內(nèi)部用多根桿件支撐成三角形?(2)下部主體支撐結(jié)構(gòu)的連接先用502膠水把三根支柱“T”型桿粘好,然后粘接在底板上,用多層橫桿將三根支柱桿件固定成三棱柱,在每層橫桿之間用單根斜撐桿支撐,最后用細桿件將每層斜撐桿連結(jié)成整體?(3)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)都粘好后,把上部廣告牌粘接在下部桁架結(jié)構(gòu)上,再用一些桿件加固?(4)節(jié)點處理如果出現(xiàn)節(jié)點之間連接不吻合或存在空隙,則用磨好的竹條粉末填好縫隙后用膠水涂粘,加大了節(jié)點的銜接和剛度的一致?模型結(jié)點無縫處理,這是我們做模型的過程中一個嚴格的要求,這是我們不斷試驗的出的一個重要的結(jié)論,讓桿件之間完全粘合,這樣才能讓每一根桿受力均勻,不會發(fā)生偶然破壞?模型的整體才能保持一定得穩(wěn)定性,在加載的過程中,才不會出現(xiàn)局部受力而出現(xiàn)瞬間破壞?3.3.3模型特色通過多次分析與試驗,我們選擇了試驗結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式,經(jīng)過多次測試,結(jié)果表明本結(jié)構(gòu)具有減振效果明顯?水平變形小?自平衡功能強?結(jié)構(gòu)造型適應(yīng)性強?外觀美觀?做工精細等優(yōu)點?第4章結(jié)構(gòu)承載力分析由于廣告牌結(jié)構(gòu)的自振頻率較低,且恰位于強風(fēng)動荷載的主要頻率段或與其接近,在強風(fēng)的作用下其風(fēng)致響應(yīng)較大,是影響沿海地區(qū)廣告牌結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計的主要控制指標?由于廣告牌結(jié)構(gòu)為鈍體結(jié)構(gòu),強風(fēng)風(fēng)場在流經(jīng)高層建筑附近時,會產(chǎn)生較為復(fù)雜的漩渦脫落和再附著現(xiàn)象,因而廣告牌結(jié)構(gòu)所受的脈動風(fēng)荷載也極為復(fù)雜,進而可能在結(jié)構(gòu)的某些部位產(chǎn)生較大的局部風(fēng)荷載,引起結(jié)構(gòu)振幅以及加速度均較大的風(fēng)致振動?廣告牌結(jié)構(gòu)在強風(fēng)作用下的力學(xué)行為,既與風(fēng)場特性有著密切關(guān)系,又與結(jié)構(gòu)本身的建筑外形和結(jié)構(gòu)參數(shù)有著緊密聯(lián)系,設(shè)計中一般需要通過風(fēng)洞試驗來確定風(fēng)荷載?4.1計算假定對結(jié)構(gòu)計算需要對材料?結(jié)構(gòu)及加載情況做合理假定,假定條件如下:材料性能均勻?連續(xù);桿件本身質(zhì)量不計;各構(gòu)件間節(jié)點均視為剛接;本結(jié)構(gòu)要受側(cè)向荷載作用,故計算時主桿?斜撐及梁均采用空間梁單元;計算時所有的荷載均等效為作用在節(jié)點上的集中荷載;根據(jù)以上假定,通過建立計算模型,所得的內(nèi)力和位移作為構(gòu)件設(shè)計的依據(jù)?4.2靜荷載分析廣告牌結(jié)構(gòu)主要承受水平風(fēng)荷載的作用,而其豎向荷載為結(jié)構(gòu)自重,因模型質(zhì)量很小,自重可以忽略不計?4.2.1水平風(fēng)荷載分析支撐結(jié)構(gòu)體系為空間桁架體系,因迎風(fēng)截面很小,支撐結(jié)構(gòu)與廣告牌面所承受的水平風(fēng)荷載相比可以忽略不計,故結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析僅考慮廣告牌面承受的風(fēng)荷載?水平風(fēng)荷載使用軸流風(fēng)機加載,廣告牌迎風(fēng)面面積為800mm×800mm,迎風(fēng)面中心的設(shè)計風(fēng)速為8.0±0.5m/s?風(fēng)荷載加載示意圖如圖4.1所示?軸流風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)場在橫斷面上不是均勻分布的,經(jīng)風(fēng)速儀測試,與迎風(fēng)面廣告牌面對應(yīng)風(fēng)場分布示意圖如圖4.2所示?由圖4.2可知,迎風(fēng)面廣告牌面上邊緣和兩側(cè)對應(yīng)的風(fēng)速大,作用在其上的風(fēng)荷載較大,而中心下邊緣處作用的風(fēng)荷載較小?為方便設(shè)計和計算,經(jīng)估算,取作用于廣告牌面的風(fēng)速為15m/s?圖4.1風(fēng)荷載加載示意圖圖4.2廣告牌面風(fēng)荷載分布示意圖圖4.3廣告牌面風(fēng)荷載示意圖4.2.2風(fēng)荷載計算參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,廣告牌迎風(fēng)面的體型系數(shù)取為0.8,背風(fēng)面的體型系數(shù)取為-0.5?迎風(fēng)面風(fēng)荷載大小為:N式中,在不可壓的低速氣流下,考慮無粘且忽略體積力作用,流動是定常的?根據(jù)伯努利方程,可將平均風(fēng)速換算成基本風(fēng)壓?取,單位kN/m2;ρ為空氣密度,取1.25kg/m3;為風(fēng)速,取15m/s;A為受風(fēng)面積?廣告牌迎風(fēng)面的風(fēng)壓為正壓,兩個背風(fēng)面上的風(fēng)壓為負壓,廣告牌結(jié)構(gòu)3個面的受力示意圖如圖4.3所示?所以,廣告牌結(jié)構(gòu)順風(fēng)向承擔(dān)的風(fēng)荷載為:4.3動載分析4.3.1風(fēng)對廣告牌的作用特點分析由于廣告牌為正三角形的鈍體結(jié)構(gòu),氣流在流經(jīng)廣告牌附近時,會產(chǎn)生較為復(fù)雜的漩渦脫落和再附著現(xiàn)象,因而廣告牌所受的脈動風(fēng)荷載也極為復(fù)雜,進而可能在結(jié)構(gòu)的某些部位產(chǎn)生較大的局部風(fēng)荷載,引起結(jié)構(gòu)振幅以及加速度均較大的風(fēng)致振動?廣告牌在臺風(fēng)作用下的力學(xué)行為,既與鼓風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)場特性有著密切關(guān)系,又與廣告牌本身的建筑外形和結(jié)構(gòu)參數(shù)有著緊密聯(lián)系?4.3.2動載估計試驗發(fā)現(xiàn),在14m/s的風(fēng)速作用下,廣告牌結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向的振動非常劇烈,風(fēng)速大小也存在10%左右的脈動?根據(jù)實驗觀察,并參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容,取最大風(fēng)荷載為1.5倍的靜載進行分析,即認為最大動載為:根據(jù)以上估計的動力風(fēng)荷載,帶入結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算簡圖,按照靜力情況對結(jié)構(gòu)進行受力分析,以確定結(jié)構(gòu)各桿件的截面尺寸?因廣告牌結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu),無法進行手算,故利用有限元分析軟件SAP2000對其內(nèi)力進行初步分析,并確定結(jié)構(gòu)各桿件的受力狀況和最優(yōu)截面尺寸?4.4有限元分析將4.3節(jié)中估算的最大風(fēng)荷載以集中力的形式作用于結(jié)構(gòu)上,對廣告牌結(jié)構(gòu)進行有限元受力分析?因風(fēng)荷載非常復(fù)雜,且結(jié)構(gòu)在橫風(fēng)向也承受了一定的脈動荷載,所以,有限元分析結(jié)果僅作參考,在進行結(jié)構(gòu)桿件優(yōu)化?結(jié)構(gòu)選型時有比較重要的作用?結(jié)構(gòu)真正的承載能力只能通過大量的風(fēng)洞試驗進行檢驗?4.4.1有限元模型示意圖有限元模型俯視圖如圖4.4和4.5所示,側(cè)視圖如圖4.6所示?圖4.4有限元模型俯視圖一圖4.5有限元模型俯視圖二圖4.6有限元模型側(cè)視圖4.4.2變形分析在最大風(fēng)荷載作用下,變形后的有限元圖形如圖4.7所示,有限元模型支撐結(jié)構(gòu)變形后圖形如圖4.8所示?結(jié)果分析表明,變形集中在頂部沒有支撐的一層,1100mm處變形達到24.5mm,但1000mm高度處變形為8.67mm,完全滿足加載要求?圖4.7變形后的有限元模型俯視圖圖4.8有限元模型支撐結(jié)構(gòu)變形后圖形4.4.3有限元內(nèi)力分析在最大荷載作用下,主體支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖如圖4.9和圖4.10所示?最大壓力(紅色)120N,最大拉力(黃色)235N,支承受拉力僅為14N,均遠小于桿件承載力,主桿通過桿