精選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明書模板第一章設(shè)計(jì)說(shuō)明1.1作品簡(jiǎn)介此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽模型為渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用竹質(zhì)材料制作完成，整體為帶有四個(gè)轉(zhuǎn)角形式總長(zhǎng)6.5m模型。模型可分段可整體，至少需要一個(gè)跨度為1050mm橋。加載時(shí)，模型包括承臺(tái)板、各段模型以及輸水管三局部。模型荷載由輸水管注水實(shí)現(xiàn)，水流逐漸注滿整個(gè)輸水管，并持荷20s，最后排出所有水。模型柱子與承臺(tái)板通過(guò)螺釘固定在承臺(tái)板上。其中，輸水管與輸水裝置、承臺(tái)板、螺釘均由主辦方提供。模型的制作、粘結(jié)用502膠水完成。本次競(jìng)賽的目的是在滿足賽題要求的前提下，合理設(shè)計(jì)構(gòu)件截面形式、截面尺寸、構(gòu)件連接方式、結(jié)構(gòu)布置形式以及制作工藝，使得最終的結(jié)構(gòu)模型在具有較強(qiáng)的豎向承載能力的同時(shí)，有足夠的強(qiáng)度與側(cè)向穩(wěn)定性，以及接近正常使用極限狀態(tài)承受50kg荷載為前提，以承受均布荷載作用下所產(chǎn)生的彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時(shí)根據(jù)賽題規(guī)那么，要充分考慮結(jié)構(gòu)自重以及剛度，在保證結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)承受50kg荷載和到達(dá)更大的極限承載能力極限狀態(tài)，以及保證模型穩(wěn)定性的情況下，以最小的結(jié)構(gòu)自重承受各層剪力、軸力、彎矩、扭矩，并且保證足夠大的輸水效率。在整個(gè)設(shè)計(jì)模型的過(guò)程中，我們充分的運(yùn)用到了所學(xué)的材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、橋梁工程等相關(guān)知識(shí)，同時(shí)查閱了橋梁受均布豎向荷載作用和水流沖擊荷載作用的相關(guān)原理，綜合橋梁結(jié)構(gòu)的傳力、受力特點(diǎn)，考慮多方面因素，最終采用此方案。橋跨局部：整個(gè)橋?yàn)閺埾沂浇Y(jié)構(gòu)橋，整體跨度為1040mm。橋分4跨，上弦桿采用4mm*0.35mm拉條，起構(gòu)型作用，保證腹桿穩(wěn)定性；以及在卸載后使模型能恢復(fù)原狀以保證排水效率。下弦梁采用6mm*0.55mm中薄雙層竹皮拉條，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，使用雙層拉條防止構(gòu)件因材料離散性在節(jié)點(diǎn)處破壞。橋兩端擱置在柱上，柱采用魚腹式格構(gòu)柱，根本滿足結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性要求。背索采用5mm*0.55mm中薄雙層竹皮拉條，兩條背索向中靠攏端固定于一點(diǎn)，提供橋向外拉力，抵抗水流對(duì)橋不利荷載。普通跨度局部：普通跨度采用兩段高度逐級(jí)降低的多跨支撐結(jié)構(gòu)和一段連續(xù)格構(gòu)柱支撐結(jié)構(gòu)，多跨支撐結(jié)構(gòu)橋墩為兩個(gè)“V〞型門架和一個(gè)格構(gòu)柱，其連續(xù)高度為320mm、310mm、300mm及295mm、285mm、275mm，橋面為兩條7mm*0.35mm拉條，根本滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。垂直橋面方向采用3mm*0.35mm拉條連接，增強(qiáng)模型整體性?！癡〞型門架柱子采用0.35mm厚竹皮制作成的6mm*7mm日字桿，柱腳用螺釘卡住防止其滑動(dòng)。格構(gòu)柱垂直及水平方向桿件采用2mm*2mm竹條，其余局部均采用2mm*0.35mm拉條，增強(qiáng)格構(gòu)柱穩(wěn)定性及整體性。連續(xù)格構(gòu)柱連續(xù)高度為270mm、260mm、250mm。1.2設(shè)計(jì)思路1.2.1設(shè)計(jì)思路此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求設(shè)計(jì)的模型為渡槽支承結(jié)構(gòu)，制作材料為本色復(fù)壓竹皮及竹條。根據(jù)題目要求，在滿足高差要求、輸水效率、指定水流路徑點(diǎn)，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件形式可合理設(shè)計(jì)，布置、構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)造以及構(gòu)件的平面內(nèi)約束在規(guī)定范圍內(nèi)即可，這就給我們的方案設(shè)計(jì)提供了空間，我們的設(shè)計(jì)思路如下：1〕確保主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)根據(jù)本次比賽的評(píng)分規(guī)那么，結(jié)構(gòu)首先應(yīng)能承受50kg加載和不整體失穩(wěn)，故在制作時(shí)注重結(jié)構(gòu)的整體性和對(duì)稱性的精確度與錨固可靠性。2〕優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分布經(jīng)過(guò)理論分析，模型在豎向荷載和水流沖擊作用下，結(jié)構(gòu)主要承受豎向彎矩作用和面外傾覆，需要足夠的抗彎剛度和穩(wěn)定性，因此采用張弦式橋和多跨支撐結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于水流的加載過(guò)程會(huì)逐漸產(chǎn)生不同程度的偏心，彎矩將到達(dá)增大，然后逐漸減小直至穩(wěn)定，而剪力逐漸增大直至最大，期間橋梁結(jié)構(gòu)將可能產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，最終結(jié)構(gòu)跨中彎矩最大，柱頂剪力最大。據(jù)此我們的橋梁結(jié)構(gòu)采用了張弦梁形式多跨支撐及連續(xù)格構(gòu)柱支撐形式，有效利用竹皮良好的抗拉性能，具有較大的豎向承載力。在此條件下，利用軟件計(jì)算分析模型頂部?jī)A覆，嘗試找到在滿足強(qiáng)度要求的前提下又具有一定的抗側(cè)剛度，同時(shí)又不至于豎向位移太大而降低輸水效率。柱與卡扣榫卯構(gòu)件相連接并用螺釘緊固，連接牢固，脫落概率極小。橋梁上弦桿拉拉條保證豎向構(gòu)件穩(wěn)定性及模型整體性，張弦式橋梁豎向承載力比較好，只是安裝時(shí)給拉條施加的預(yù)應(yīng)力效果會(huì)影響承載力。3〕平面外設(shè)置拉條，提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度結(jié)構(gòu)雖然具有足夠剛度但結(jié)構(gòu)整體性缺乏，在橋兩端均設(shè)置了拉條，使當(dāng)結(jié)構(gòu)存在側(cè)傾傾向時(shí)能夠拉的住此模型，且在靜載作用下，在結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，拉條的一松一緊，有效抵抗扭矩防止節(jié)點(diǎn)脫開。1.2.2方案演化在制作模型初期我們采用的總體方案為橋梁大跨度與普通跨度結(jié)合的設(shè)計(jì)，梁體設(shè)計(jì)在大跨處采用張弦式設(shè)計(jì)，普通跨度采用多跨支撐以及多個(gè)格構(gòu)柱支撐形式。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)形式比較成熟，根本工程中均直接考慮此種結(jié)構(gòu)。通過(guò)高度逐漸降低的連續(xù)梁橋?qū)⑤斔退鳌Ｒ虼?，接下?lái)我們將著重考慮結(jié)構(gòu)的剛度、構(gòu)件強(qiáng)度、施工工藝的設(shè)計(jì)。通過(guò)理論分析、屢次的模型試驗(yàn)同時(shí)考慮到多種因素，我們的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)了如下的演化過(guò)程，最終形成參賽方案。圖SEQ圖\*ARABIC1方案演化圖〔1〕確保主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性為了確保結(jié)構(gòu)承受賽題要求的豎向荷載并且保證整體的穩(wěn)定性，使用張弦式橋梁，并且采用較大的截面和整體截面，下面采用中薄雙層6mm×0.55mm竹條作為提供支撐力的主要構(gòu)件。普通跨度處為保證多跨支撐的強(qiáng)度，在跨中我們?cè)鲈O(shè)一個(gè)格構(gòu)柱來(lái)降低跨中撓度，提高輸水效率。〔2〕協(xié)調(diào)各截面剛度分布在前期試驗(yàn)根底上，主體結(jié)構(gòu)有了較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的根底上，結(jié)合對(duì)位移的分析，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型剛度較小，過(guò)分加強(qiáng)又過(guò)大，水流沖擊時(shí)可能會(huì)造成損壞。此時(shí)并非結(jié)構(gòu)的最優(yōu)剛度。因此在主跨橋梁處橋柱我們選擇使用魚腹式格構(gòu)柱來(lái)滿足橋跨局部的強(qiáng)度和剛度要求，且格構(gòu)柱穩(wěn)定性好。多跨支撐局部為降低兩端橋柱的彎矩，我們選擇將柱頂端外傾，保證橋柱不會(huì)受彎破壞?！?〕設(shè)計(jì)抗扭構(gòu)造措施由于模型〔特別是最大跨度的橋梁〕，跨度大，高度高，在水流沖擊作用下容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。在橋梁兩側(cè)外部設(shè)置向內(nèi)側(cè)擴(kuò)張的拉條，以控制其穩(wěn)定性，防止輸水管轉(zhuǎn)角沖擊對(duì)兩側(cè)模型產(chǎn)生不利影響。同時(shí)用竹皮包住節(jié)點(diǎn)，防止節(jié)點(diǎn)脫開?！?〕最大限度減小模型自重在保證結(jié)構(gòu)豎向承載力、整體剛度、抗扭能力的情況下，本模型盡可能減小自重。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐測(cè)試我們橋跨局部的下部拉索采用6*0.55的中薄雙層拉條，上部構(gòu)型拉條采用4*0.35，背索采用5*0.55的中薄雙層拉條。多跨支撐段橋面拉索在1200跨度段我采用7*0.35，在1300跨度段采用8*0.35，背索采用7*0.35。因格構(gòu)柱承壓能力強(qiáng)，受壓桿采用最細(xì)的2*2竹條制作。該模型制作難度低，模型質(zhì)量輕，該結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度也滿足要求，輸水效率高，較為穩(wěn)妥。結(jié)構(gòu)豎向承載力、整體穩(wěn)定性、抗扭能力也都得到保證。1.3結(jié)構(gòu)選型1.3.1模型結(jié)構(gòu)選擇本次競(jìng)賽的渡槽支撐系統(tǒng)滿足具體的灌溉點(diǎn)、高度、持荷加載、卸載以及輸水效率的要求，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)的形式不做要求，因此在模型的結(jié)構(gòu)選擇中我們有較大的選擇空間。通過(guò)解讀與分析賽題，我們認(rèn)為所制作的模型要滿足以下的根本要求：〔1〕模型長(zhǎng)度應(yīng)符合自然管長(zhǎng)6.5m，且需經(jīng)過(guò)AB兩灌溉點(diǎn)；〔2〕模型不發(fā)生整體垮塌〔允許局部損壞，但輸水管不得觸碰承臺(tái)板并且不能損壞〕，且輸水效率應(yīng)到達(dá)賽題要求的90%；〔3〕滿足現(xiàn)場(chǎng)制作和裝載時(shí)，使用規(guī)定工具能到達(dá)的拼裝精度，且制作工序不過(guò)于復(fù)雜，尤其是要便于安裝防止安裝超時(shí)。在對(duì)多種結(jié)構(gòu)形式的模型測(cè)試和分析中，得出以下結(jié)論：多跨桁架橋：優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度大，穩(wěn)定性高，模型形變小，輸水效率高。缺點(diǎn)：自重大，制作工藝復(fù)雜，模型節(jié)點(diǎn)過(guò)多不利于處理，。多跨張弦橋：優(yōu)點(diǎn)：制作工藝簡(jiǎn)單，輸水效率高，強(qiáng)度滿足荷載要求。缺點(diǎn)：自重較大，穩(wěn)定性較差，拉條因材料離散性易發(fā)生斷裂。單跨張弦橋+多個(gè)四角支撐結(jié)構(gòu)：優(yōu)點(diǎn)：制作工藝簡(jiǎn)單，安裝效率高，輸水效率高，強(qiáng)度滿足荷載要求。缺點(diǎn)：自重較大，與承臺(tái)板連接節(jié)點(diǎn)未直接連接易發(fā)生滑動(dòng)。單跨張弦橋+多塔張拉式結(jié)構(gòu)+多個(gè)單立柱優(yōu)點(diǎn)：制作工藝簡(jiǎn)單，輸水效率高，自重小，強(qiáng)度大，穩(wěn)定性較好。缺點(diǎn)：安裝較復(fù)雜，橋柱受彎矩較大，易發(fā)生破壞。經(jīng)過(guò)屢次實(shí)驗(yàn)，理論分析，軟件模擬，我們最終選擇了第四種結(jié)構(gòu)形式并進(jìn)行優(yōu)化我們得到模型形式如以下圖：圖SEQ圖\*ARABIC2模型整體實(shí)物圖1.3.2模型結(jié)構(gòu)圖圖SEQ圖\*ARABIC3橋梁尺寸圖圖SEQ圖\*ARABIC4多跨支撐結(jié)構(gòu)尺寸圖圖SEQ圖\*ARABIC5格構(gòu)柱尺寸圖

第二章節(jié)點(diǎn)構(gòu)造2.1桿件拼接連接桿件在打印出來(lái)的圖紙上進(jìn)行組裝拼接，以到達(dá)足夠的精確度，降低模型受到的手工因素影響，在這個(gè)制作過(guò)程中，精確度要求最高的是柱子的底端傾角，另外一個(gè)就是格構(gòu)柱的拼接精確度問(wèn)題，我們通過(guò)拉條對(duì)有些存在手工誤差的桿件進(jìn)行調(diào)整精確度，到達(dá)橫平豎直的模型效果。圖SEQ圖\*ARABIC18格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)圖SEQ圖\*ARABIC19柱底端傾角2.2背索與柱節(jié)點(diǎn)的連接為保證加載過(guò)程中柱的穩(wěn)定性，在柱上節(jié)點(diǎn)處各連接一根拉條作為背索固定柱面。柱頂拉條取計(jì)算長(zhǎng)度延升3-5mm粘貼到與拉力方向相反的桿面保證拉條在加載過(guò)程中不會(huì)被拉脫。圖SEQ圖\*ARABIC20背索與柱節(jié)點(diǎn)2.3橋面拉索與背索的連接橋面拉索與背索的連接參考鋼結(jié)構(gòu)中鋼板的焊接方式，在背索與柱節(jié)點(diǎn)處首先用502粘接一片竹皮，再將橋面與背索粘接，為防止橋面拉索與背索拉脫，再用一片竹皮粘接橋面拉索與背索。圖SEQ圖\*ARABIC21橋面拉索與背索連接處理2.4柱腳節(jié)點(diǎn)以及固定柱腳與承臺(tái)板的連接，我們采用螺栓連接方式，首先將竹皮加工成一個(gè)小片，將柱腳卡進(jìn)入小片，最后用螺釘固定在承臺(tái)板上。圖SEQ圖\*ARABIC22柱腳處理以及固定2.5背索固定背索的固定我們采用螺栓連接，通過(guò)螺釘將背索與承臺(tái)板進(jìn)行固定。在連接處為防止孔壁破壞，我們將連接處用502粘接兩層順紋竹皮和一層逆紋竹皮，以保證孔壁在各方向上的承壓能力。圖SEQ圖\*ARABIC23背索固定2.6材料截面選擇本次比賽提供了豐富的竹材原料——竹皮與竹條，可組合成較多的截面尺寸，因此對(duì)于不同位置的桿件可合理選擇其截面，充分發(fā)揮材料的作用。所提供材料及其尺寸如下表：表SEQ表\*ARABIC1材料規(guī)格表竹材規(guī)格竹皮1250mm×430mm×0.50mm1250mm×430mm×0.35mm1250mm×430mm×0.20mm竹條900mm×6mm×1mm900mm×2mm×2mm900mm×3mm×3mm經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，理論計(jì)算，模型的構(gòu)建截面形式與模型材料表如下：表SEQ表\*ARABIC2構(gòu)件截面形式截面規(guī)格截面尺寸截面實(shí)體效果圖SB3×3H6×6.7×0.35×0.35T6×6.35×0.35TP6×6.7×0.35×0.35×3.18×0.35L3×0.2L6×0.2表SEQ表\*ARABIC3下料長(zhǎng)度序號(hào)構(gòu)件材料截面規(guī)格下料長(zhǎng)度數(shù)量1竹條SB2*2310422854327044260452504676477048694960401035411326122941327614224151961617417101018SB3*3350420330421SB6*160122竹皮TP6*7*0.35362223345224340225313226L7*0.351250227430428410229370230L8*0.35700431L6*0.351200232L6*0.21200233L5*0.35550434L5*0.2550435L4*0.351200236L3*0.351250137L2*0.35800253842013

第三章總結(jié)與感悟隨著人類的各種活動(dòng),水資源環(huán)境明顯惡化，全球目前有14%以上的水體約受到污染。水資源短缺已成為全球性的問(wèn)題，在亞洲有60%的地區(qū)缺水；在非洲連年干旱有85%的地區(qū)缺水，缺水已直接威脅到了生存；美洲、歐洲出現(xiàn)用水緊張的現(xiàn)象，現(xiàn)今全球有80多個(gè)國(guó)家正面臨著水資源缺乏，俄羅斯、加拿大也受到威脅，16%的城市人口缺水，約12億人嚴(yán)重缺少飲用水，在開展中國(guó)家約有10億多人達(dá)不到平安用水，所以合理利用水資源是當(dāng)代的熱門話題。本次競(jìng)賽的模型是渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在眾多渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，連續(xù)梁形式已經(jīng)成為了主要形式。在將賽題進(jìn)行分析之后我們做出了方案的主要設(shè)想以及主要方向。摒棄常見的直接的連續(xù)梁形式，從常見結(jié)構(gòu)中獲得靈感，做出了一種最直接簡(jiǎn)單的“張弦式橋梁+連續(xù)多跨支承〞結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺釘卡扣柱腳。經(jīng)過(guò)了幾十次的嘗試，我們終于得到了滿意的結(jié)構(gòu)形式，也最終確定了方案。備賽期間，我們秉承著大賽創(chuàng)新、合作以及實(shí)踐宗旨，不斷地完善模型，提出創(chuàng)新點(diǎn)大膽的嘗試。在專業(yè)知識(shí)得到充分的實(shí)踐檢驗(yàn)外，我們還學(xué)會(huì)了如何分工合作。正如一個(gè)施工工程，合理分配人員工作，精確控制施工時(shí)間，