1、特種結(jié)構(gòu)輸電塔模型計算書小組成員：王宇 談佳偉 馬思遙一、設(shè)計說明特種結(jié)構(gòu)課程系列實踐環(huán)節(jié)I結(jié)構(gòu)模型設(shè)計制作及加載競賽模型為一個自立式輸電塔模型。模型的加載分為靜加載和動加載兩部分。靜荷載包括豎向加載和側(cè)向加載，以模型的荷重比來體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率。動加載為瞬間卸去側(cè)向重物，以模擬導(dǎo)線斷線荷載，模型將受到一定的水平?jīng)_擊荷載。其中，制作材料由主辦方提供，模型將采用木質(zhì)材料制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即主受力支承骨架結(jié)構(gòu)；同時還有502膠水用于構(gòu)件之間的連接、模型與底板的連接，以及現(xiàn)場鐵塊固定需要的熱熔膠。競賽目的是為了在全面滿足競賽要求的前提下，。賽題對參賽隊員的力學(xué)分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算能力

2、、現(xiàn)場制作能力提出了較高要求。通過自立式輸電塔結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計和制作，學(xué)生進(jìn)一步加深在特種結(jié)構(gòu)課程中關(guān)于輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的理解和認(rèn)識，使學(xué)生在結(jié)構(gòu)知識運用能力、創(chuàng)新能力、動手能力、團(tuán)隊協(xié)作精神等方面得到全面提升。二、結(jié)構(gòu)選型根據(jù)基本競賽規(guī)則，結(jié)構(gòu)不僅承擔(dān)豎向靜荷載（即鐵塊質(zhì)量），而且需承受一定量級的動力水平荷載，在重物作用和水平動力作用兩種情況下具有足夠的剛度，且在最大的動力加速度不發(fā)生破壞，因此設(shè)計作品應(yīng)該使結(jié)構(gòu)效率最大化，即用最少的材料消耗實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的最大化。對于結(jié)構(gòu)形式及造型而言，此次結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽規(guī)定至少包括一個自立式輸電塔的基本骨架，限制了結(jié)構(gòu)的高度、底層尺寸和橫擔(dān)設(shè)置高度的范

3、圍，橫擔(dān)外輪廓不得超出圖示“橫擔(dān)界限”，規(guī)避區(qū)內(nèi)不得出現(xiàn)任何構(gòu)件。從競賽要求給定的平面尺寸來看，我們認(rèn)為采用空間剛架結(jié)構(gòu)是較理想的選擇?？臻g剛架具有大空間的建筑功能優(yōu)勢，同時在視覺上，我們也希望以盡量少的桿件形成較強(qiáng)大的空間結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)計等截面柱形成塔形結(jié)構(gòu)來減小桿件的截面尺寸，其中充分考慮到P-效應(yīng)。我們在結(jié)構(gòu)選型過程中分別從結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)外形兩方面進(jìn)行了分析。在結(jié)構(gòu)體系的選取方面，由于剛架體系的豎向剛度較大，能承受較大的彎矩作用，且傳力最為直接、高效，非常適用于較高建筑結(jié)構(gòu)。另外，從模型制作的角度看，考慮到采用單純的木材較難實現(xiàn)復(fù)雜的節(jié)點形式制作以及預(yù)應(yīng)力施加，因此本次結(jié)構(gòu)不采用預(yù)應(yīng)力結(jié)

4、構(gòu)體系（如懸掛結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)）的設(shè)計方案。同時此次加載過程中充分考慮到抗震或者動力效應(yīng)的剛性作用，我們在模型表面布置交叉撐桿。一方面，交叉斜撐可以限制結(jié)構(gòu)在動力作用下的位移；另一方面，交叉斜撐有利于改善結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。我們設(shè)計模型秉持“強(qiáng)柱弱橫梁，多用拉桿，少用壓桿”的設(shè)計理念，模型的主要受力構(gòu)件應(yīng)合理布置，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)“創(chuàng)新、輕巧、美觀、實用”的原則。三、結(jié)構(gòu)建模 根據(jù)此次競賽要求，砝碼加載會單向進(jìn)行，但加載方向?qū)鶕?jù)抽簽方式?jīng)Q定，所以采用軸對稱的外形，俯視圖每層基本為類正方形，已達(dá)到各向同性的目的。因為此次設(shè)計的結(jié)構(gòu)是高聳輸電塔結(jié)構(gòu)，根據(jù)盡量將建筑物重心放低的思路，將采用底大上小的結(jié)構(gòu)

5、。在全面滿足競賽要求的前提下，我們對模型作如下設(shè)計：（1）模型總高為600mm；樓板所使用材料為W22木材（2mm2mm木材）制作截面為8mm8mm的箱型截面柱；（2）模型底層面積為200mm200mm，但是不是正規(guī)正方形，每邊有相應(yīng)變形設(shè)計；（3）柱子：本設(shè)計方案采用的柱子截面形式為加勁槽形管，構(gòu)件采用等截面形式。其中槽形管內(nèi)一定間隔添加加勁肋，以增強(qiáng)其整體性。下圖變截面構(gòu)件的實體效果圖。等截面柱子為8mm*8mm；（4）樓板：為增強(qiáng)樓板的整體性及柱子與樓板之間的連接，我們采用樓板梁為6mm6mm木材，樓板梁之間嚙合以提高樓板的整體性。詳圖如下：（5）綜上所述，我們現(xiàn)用CAD和分析軟件畫出我

6、們模型的主要結(jié)構(gòu)，如下圖所示：立體圖：正視圖：側(cè)視圖：俯視圖：（6）結(jié)構(gòu)優(yōu)化 考慮到真實試驗中可能出現(xiàn)的特殊情況，模型制作中的誤差和精度問題，還有給結(jié)構(gòu)留有足夠的冗余度，我們在原有模型的基礎(chǔ)上增添了橫隔和斜撐，設(shè)計成以下的優(yōu)化模型：四、受荷分析利用Midas有限元分析軟件模擬實際競賽加載對模型進(jìn)行加載，下面得出加載數(shù)據(jù)：（1）反力（2）位移（3）應(yīng)力（4）整體應(yīng)力五、現(xiàn)場加載情況（照片）6、 加載破壞情況與設(shè)計計算對比分析（1） 加載破壞情況：主要破壞形態(tài)：在動力加載中通過2級，3級加載時出現(xiàn)橫擔(dān)兩側(cè)直接拉斷，上部斜撐斷裂。主要破壞原因：橫擔(dān)強(qiáng)度不夠。另外橫擔(dān)剛度太低，導(dǎo)致加載時兩側(cè)直接被拉斷

7、。（2）模型破壞分析：柱子雖然里面加了小插片，但是為了減輕重量，上部斜撐也是用的比較細(xì)的木條，同時將柱子的截面尺寸做的較小，最后破壞的時候發(fā)現(xiàn)也有一根柱子拉斷了。我們柱腳做的很牢固，加載過程中沒有發(fā)生掀起，在模型受水平方向的力的時候，模型下部是比較牢固的，因此柱腳沒有對我們的加載結(jié)果造成影響。（3）與設(shè)計計算對比分析： 加載破壞情況與有限元分析計算結(jié)果吻合度較差，模型強(qiáng)度、可靠度、預(yù)計破壞位置沒有達(dá)到我們預(yù)期目標(biāo)。 試驗結(jié)果的離散性較強(qiáng)的主要原因：1、木材的各向異性2、模型制作的精細(xì)程度3、試驗加載的不穩(wěn)定性7、 總結(jié) 通過以上理論分析和模型試驗，表明所選用的結(jié)構(gòu)體系是合理的，構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。經(jīng)過這次比賽的鍛煉，我們這些還未經(jīng)過較多工程實踐的本科生獲益良多。在這個過程中，我們所學(xué)過的力學(xué)知識和工程設(shè)計知識得到了最大化地應(yīng)用，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計基本概念，對結(jié)構(gòu)設(shè)計原理有了更深入的認(rèn)識。8、 參考文獻(xiàn)1. GB500092006. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.2. JGJ9998. 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.3. JB500172003. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.4. 陳國