第五届全国大赛(沈阳赛) 结构设计方案
第五届全国大学生结构设计竞赛优秀奖作品
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1. 结构选型
根据第五届全国大学生结构设计竞赛委员会提供的赛题，为达到承担竖向荷载和地 震水平动力荷载的目标，并考虑采用竹片制作的现实，本队以节省材料、承载力大、刚度 适合、美观为出发点，经过多次计算分析、实验研究，最终采用以框架斜撑为骨架的塔形 组合格构柱体系，如图 1 所示。
5.1 结点构造说明···························································23 5.2 铁块布置方案···························································23 5.3 水箱注水重量···························································24 6.材料表······································································24
2.3 近似模型 1----组合格构柱体系抗震设计····································6 2.3.1 计算参数··························································7 2.3.2 格构柱分肢长细比验算··············································8 2.3.3 格构柱稳定性强度验算 ·············································8 2.3.4 格构柱的分肢柱稳定性强度验算······································9 2.3.5 缀条（斜杆）验算··················································9
建筑大学第五届结构塔吊模型设计大赛设计说明书
沈阳建筑大学土木工程学院第五届结构模型设计大赛方案设计作品名称所属院系土专业班级土木学生姓名学号学生姓名学号学生姓名学号联系电话150二○一○年五月十三日摘要根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和施工方便程度等方面出发，采用150g规格的牛皮纸，蜡线及白乳胶这三种材料制作成柱——桁架结构体系。
绘制了模型的结构图、结构整体布置图、节点详图。
从结构的整体着眼，设计中充分利用了桁架结构三角形的稳定性；考虑到比赛中模型的加载形式，即两侧分别加载（A）29.4N和不大于(B)58.8N的竖向静荷载和（B）点前后面19.6N的水平静止荷载。
我们在计算过程中假定材质连续均匀、杆与杆的连接采用铰结、模型本身质量不计，进行受力分析，得出整个结构的内力及变形图，并对结构杆件进行强度及稳定性计算校核。
同时，对模型进行了大量的加载实验。
通过计算和加载实验，确认该模型能满足强度、刚度及稳定性的要求。
一、设计说明书1、方案构思结构形态具有二重性，首先结构形态具有合理的受力特性即理性逻辑，其次在于结构形态具有明确的几何特征即形态逻辑。
如果能够做到这两方面的完美结合，不仅能使机械结构表现出优美的形态，而且还能达到最为经济的效果。
某著名建筑师曾说过：只有一个造型是最好的，那就是能清楚表现出经济原理的造型。
所以我们这次结构的选择均是从塔吊结构的受力特点出发去寻找最合理的形式。
1.1结构选型在结构设计中应该合理布置结构构件，使得截面获得相对最大的截面惯性矩，发挥材料的最大受力性能。
主要构件受力直接，荷载传递路径明确。
我们讨论决定利用空间柱——桁架结构体系，充分考虑牛皮纸的抗拉压性能强、抗弯剪性能弱的特性，结构利用四根主杆三根角形杆作为主要结构构件，支撑竖向重力荷载和侧向水平荷载。
在各侧立面上用似螺旋向上的斜撑相连,角形杆用M形斜杆支撑。
这样使得七根主杆外的所有杠件主要以桁架杠形式出现。
在无任何多余装饰元素下，外露桁架杆的交错布置，体现现代建筑简洁、明快的风格，蕴涵一种结构与建筑相结合的“建构美”。
第五届全国大学生结构设计竞赛一等奖作品
第五届全国大学生 结构设计竞赛计 算 书目 录1结构选型 (1)1.1需求分析 (1)1.1.1 力学 (1)1.1.2 美学 (1)1.2结构选型 (2)1.2.1 竖向承重体系 (2)1.2.2 横向抗侧力体系 (2)1.3方案效果图 (3)2结构建模及主要计算参数 (4)2.1分析假定 (4)2.2材料参数及几何模型 (4)2.2.1 材料参数 (4)2.2.2 几何模型 (5)2.3有限元建模 (7)2.3.1 单元选择及节点处理 (7)2.3.2 静、动力参数 (7)2.3.3 有限元分析模型 (8)3结构受荷分析 (9)3.1静力分析 (9)3.1.1 位移 (9)3.1.2 内力 (9)3.2动力时程分析 (10)3.2.1 质量源及节点束缚 (10)3.2.2 模态分析 (10)3.2.3 位移和内力 (11)3.3结构稳定分析 (15)4节点构造 (15)4.1支座节点 (15)4.2梁柱节点 (16)5模型加工图及材料表 (16)5.1模型加工图 (16)5.2材料表 (17)6铁块分布详图及水箱注水重量 (18)6.1铁块分布详图 (18)6.2水箱注水重量 (18)附件A 模型及节点实物图 (19)附件B 模型设计施工图 (20)1.1需求分析本次结构设计竞赛赛题为采用竹材和502胶水制作一个多层房屋结构模型，要求所制作的模型不但要能够承受顶部水箱和各楼层铁块的静力荷载，而且必须能够承受模拟地震动的动力荷载。
虽然赛题对结构的具体变形没有多加限制，但是对每级荷载加载时的模型失效制定了判定准则。
为了保证不出现模型失效，必须严格控制结构的绝对位移和层间位移。
因此，设计出来的结构模型必须是一个在满足竞赛要求的前提下，运用空间结构的构造方法和结构力学、材料力学等相关力学知识所设计出的材料消耗最少、同时结构强度和刚度能够满足竞赛要求的结构模型。
以下结合力学和美学对结构方案进行需求分析。
第五届工程训练大赛说明教学教材
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛（合肥赛）命题说明及赛项安排1.竞赛命题本届竞赛命题为“重力势能驱动的自控行走小车越障竞赛”。
自主设计一种符合本命题要求的小车，经赛场内外分步制作完成，并进行现场竞争性运行考核。
本题目是在往届工程训练综合能力竞赛无碳小车命题基础上的修改，保留了重力势能驱动行进的特点，增加了自主寻迹避障转向控制功能，为此赛道也有所变化。
2.命题要求小车：三轮结构，其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮，(要求2个行进轮用1.5-2mm厚度的钢板制作或用3D打印制作)，允许二行进轮中的一个轮为从动轮。
小车应具有赛道障碍识别、轨迹判断及自动转向功能和制动功能，这些功能可由机械或电控装置自动实现，不允许使用人工交互遥控。
如图1。
小车行进所需能量：只能来自给定的重力势能，小车出发初始势能为400mm 高度×1Kg砝码质量，竞赛时使用的同一规格标准砝码（钢制￠50×65mm）。
若使用机械控制转向或刹车，其能量也需来自上述给定的重力势能。
电控装置：主控电路必须采用带单片机的电路，电路的设计及制作、检测元器件、电机（允许用舵机）及驱动电路自行选定。
电控装置所用电源为5号碱性电池，电池自备，比赛时须安装到车上并随车行走。
小车上安装的电控装置必须确保不能增加小车的行进能量。
图1小车示意图赛道：备选方案一：赛道总长度30米，直线赛道，道面宽度1.2米。
备选方案二：赛道宽度1米，形成长15米宽约2米（不计赛道边缘道牙厚度）的环形赛道，其中两直线段长度为13米，两端外缘为曲率半径为1米的半圆形，中心线总长度约29.14米，见图2。
图2赛道示意图赛道边缘设有高度为80mm的道牙挡板。
赛道上间隔不等（随机）交错设置多个障碍墙，障碍墙高度约80mm，相邻障碍墙之间最小间距为1米，每个障碍墙从赛道一侧边缘延伸至超过中线100—150mm。
在直赛道段设置有1段坡道，坡道由上坡道、坡顶平道和下坡道组成，上坡转向驱动控制模块道的坡度4度（3±1°），下坡道的坡度1.5度（1.5±0.5°）；坡顶高度60±2mm，坡顶长度为250±2mm。
第五届全国大学生结构设计竞赛计算书概要
“龙麟杯”第十一届南京工业大学结构设计竞赛暨第五届全国大学生结构设计竞赛选拨赛设计计算书参赛队伍:菁竹之光作品名称:竹光永恒目录一.概述 --------------------------------- 1二.结构选型与建模 ------------------------- 1三.结构设计方案说明 ----------------------- 2四.结构几何与材料属性 --------------------- 5五.结构在静荷载和地震荷载作用下的计算 ----- 5(1恒载作用下内力和位移计算分析----------- 6(2恒载+地震作用下内力和位移计算分析------- 9一.概述此次竞赛模型规定为至少四层房屋结构模型,并且在模型顶部设有水箱。
模型要求总高度为100±0.5 cm,且至少具有四层结构,且每层净高不小于22cm。
模型底面尺寸不大于22cm ×22cm正方形平面,每层规定有效承载面积的范围和总承载面积。
其目的在于满足竞赛模型要求的情况下,应用空间结构力学的知识,设计出材料用量最少,同时能够满足足够的强度和刚度要求,并且能够抵抗模拟水平地震荷载的结构模型。
二.结构选型与建模考虑到结构需加载水平地震波,我们小组选择了框架结构。
因为框架结构空间分隔灵活,自重轻,有利于抗震,节省材料。
又框架结构侧向刚度较小,属柔性结构,在水平加速度的作用下,能够产生较大位移而不发生结构性的破坏,造成梁柱断裂或倒塌等后果。
结构模型效果图根据竞赛要求,加载方向通过抽签决定,所以模型外形采用了中心对称的方式,楼板均为正方形。
为了使重心尽量偏低,设计时在底层加载较多的铁块,并且顶层面积适当缩小。
结构立面图三.结构设计方案说明楼板设计说明:出于中心对称的设计,楼板采用了正方形的几何图形,每层楼板四周分别设置5mm×10mm的梁,嵌入方形柱内部。
因为铁块均匀分布,楼层中央将为压力重心,楼板下层受拉最大,故在楼层中间设置X型的梁,承载铁块分布的重量,并且铁块尽量沿四周分布。
第五届全国大学生结构设计竞赛优秀奖作品 (2)
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设计说明
1、模型要求
竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形 式不限。模型包括小振动台系统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个 部分，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块通过实现，小振动 台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层 结构模型由参赛选手制作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上， 图 1 给出了一示意性结构图。
(2) 提供大、小两种规格铁块。大铁块长、宽、高约分别为 12cm、 6cm 与 3.2cm，重量为 1800g。小铁块的长、宽、高约分别为 6.0cm、 4.5cm 与 3.2cm，重量为 675g。由于加载设备限制，模型中附加铁块 总重量不得超过 30kg。
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(3) 模型顶面上应放置水箱，且水箱内应至少注入 10cm 高的水。 水箱尺寸的长、宽、高为 15.5cm×15.5cm×25.7cm，容量为 4L。模 型顶面不能放置铁块。
全国第五届高校结构设计竞赛是一个极富创造性，挑战性的科技 竞赛。它旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神，提高学生的动 手能力与思维能力，激发创新意识，培养科学思维，加强团队协作， 提高动手能力，提升大学生的综合创新实践素质。
这次比赛无疑给我们建立了一个理论联系实际的平台，日后就要 我们这些学子自己去把握机会了，因为自己的路需要我们自己去走。 通过本次比赛，我们锻炼我们自己，加深入了对理论知识的理解的同 时，我们还和来自全国各地的学子交流我们对建筑结构的认识。这将 是我们学海生涯中难忘的一笔。
三、设计方案
1、设计基本假定 …………………………………………（13）
结构设计大赛059北京建筑工程学院计算书
第五届全国大学生结构设计竞赛计算书参赛学校：北京建筑工程学院参赛作品名：竹参赛队员：宋宇张蕊郜珊指导老师：祝磊一．结构选型根据对赛题的理解以及实践经验，初期选定模型形式为框架结构。
这种结构制作简单，自重轻，可以提供更多放置铁块的空间。
但是在模型的制作过程中我们发现这种柔性结构的侧向刚度过小，在地震作用下，结构顶端与底端产生水平相对位移较大。
经过修改，最终选定结构形式为带支撑框架，其通过弹性竹制楼板的变形协调与刚接框架共同工作形成双重抗侧力结构体系。
斜向支撑作为第一道防线，框架作为第二道防线，具有良好的抗震性能和更好的抗侧刚度。
由于加载时地震波的输入方向不确定，故结构平面选型时考虑将两个方向的刚度保持相同，即尽可能保持结构平面纵横方向对称。
此结构可等效视为一悬臂梁，可知应尽量增大柱间距，以使结构获得良好的抗弯性能。
而根据所学知识以及实际制作的经验，可靠的变截面柱计算起来过于繁复，实际制作中也不可能达到理论模型的效能，最后结构的支柱考虑采用管状等截面柱。
二．设计思路1.对于材料特性分析根据对两种主要材料的特性理解，并结合以往经验，将竹材所发挥的作用近似理解为钢筋，而502胶水凝固后可大大提高所依附材料的刚度，而两种材料结合时竹材为502胶水提供了空间发展的平台。
由于502胶强度远高于竹材，不考虑搭接处节点强度。
而对柱间对接，需考虑其连接强度。
因为实际情况过于复杂且没有必要建立理论模型，直接采用构造措施来保证其连接可靠性。
竹材与木材类似，是典型的平面正交异性材料。
据相关研究表明，此类材料的顺纹方向的抗拉强度较横纹方向大30%以上，而此次比赛所提供的竹皮的横纹抗拉强度则更是远小于其顺纹抗拉表现。
因此要充分利用其良好的顺纹的抗拉能力，避免使材料横纹方向受力过大，所以我们对于部分比较重要的楼板采用顺横搭配的组合截面形式，而单层楼板黏贴与其纹路方向垂直的竹条。
对于柱端的加劲构件的制作，为避免其受弯破坏，采取顺纹缠绕（竹皮纹路与筒长方向一致）的方法，如图1所示。
第五届全国大学生
2. 而二至四层斜撑刚度较小，柔度较大，考虑其有转动的趋势，所以将斜撑设为铰接。 3. 另外，底层斜撑与柱连接时可能产生转动，所以设为铰接，而与地梁连接时，由于地 梁刚度比斜撑大很多，所以可视为刚接，这点在利用结构力学求解器时，得到验证。
第五届全国大学生 结构设计竞赛 计算书
参赛学校：安徽建筑工业学院 作品名称：竹之韵 参赛队名称：垤樽 参赛队员：卢光天 任席江 姜婷婷 指导老师：郝英奇
目录
1.设计说明
…………………………………………… 1
1.1 设计理念
…………………………………………… 1
1.2 结构选型
…………………………………………… 1
4.计算书
…………………………………………9
4.1 计算方法和计算模型假设 ……………………………………9
4.2 模型计算荷载分析及截面性质分析……………………………10
4.3 材料力学性能 ………………………………………………11
4.4 结构内力分析计算 …………………………………………16
4.5 结构强度、刚度验算„„„„„„„„„„„„„21
2.方案图
…………………………………………… 2
2.1 结构整体布置图 …………………………………………… 2
2.2 节点详图
…………………………………………… 3
2.3 铁块分布详图及水箱注水量……………………………………………………………………5
3.模型加工图及材料表 ……………………………………………6
在所有的结构形式中，金字塔型建筑是最轻最稳定的一种结构形式之一，本设计从金字 塔型建筑出发，充分利用了三角形的稳定性。考虑到比赛中结构先后受到竖向荷载和侧向荷 载，其中以侧向荷载为主要控制荷载，模型结构选择了框架和柱间支撑构成框架-支撑体系， 由框架结构主要承受竖向荷载，支撑体系来承受侧向荷载，保证结构有足够的侧向刚度，以 控制其侧向位移在规定限制内。
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第五届全国大赛（沈阳赛）结构设计方案第五届全国大赛（沈阳赛）-结构设计方案
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12mm~32mm;机架间距离（l）变化范围40mm~70mm；即为曲柄圆盘与车底盘凹槽范围。
qi2.3小车特色设计（1）定滑轮的设计：变径定比滑轮减小线程，增大砝码行踪加速度，减少小车行进距离。
（2）绕线轮的设计：通过对比赛场地展开分析，我队绕线轮采用塔
轮设计结构，启程时启动半径小，然后旋转半径增大。
达至小车快速启动，运转稳定的效果。
（3）车身材料的挑选：车身主体与后轮使用电木板（学名：酚醛树脂）厚度3mm。
材料硬度强度低（足够多提振整个小车的重量而不产生塑性变形），价格便宜、加工成本高，小车比较环保。
（4）小车转为机构设计：由锥形齿轮助推曲柄圆盘，曲柄圆盘助推一端
与前轮紧固的导杆，导杆方向发生改变即为发生改变了小车方向。
（5）轴承座设计：为
了节省材料，同时确保小车运转精度，我队使用轴承座与绕线轮一体的丁学校名称：参赛
项目：字形设计。
由于精心安排了合理的加工工艺，所以轴承座制作便利，小车运转效果
不好。
印刷线3、总结和体会（字体，宋体，五号，行距为固定值20磅，attacked删掉）产品名称小车共页第1页编号-3-
学校名称：参赛项目：装订线小车装配图第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛比
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