结构设计大赛计算说明书终极完美版

Babel-Tower框架结构模型设计理论方案安徽工业大学第一届大学生结构设计竞赛框架结构模型设计理论方案Babel-Tower框架结构模型设计理论方案作品序号KJ-146学院名称学生姓名指导教师联系电话安徽工业大学结构设计竞赛组委会1一、Babel Tower结构设计理论方案概述根据竞赛规则规定，我们从结构形式选型与规则要求相协调的角度出发，综合考虑加载实际情况以及所提供材料的特点等方面，设计了该结构。

根据规则，采用230克白卡纸，蜡线及白乳胶这三种材料制作成该框架体系。

并绘制出模型的结构空间立体图、结构整体布置图、结构局部布置图、结构破坏形式图等。

从结构整体着眼，设计中充分利用三角形结构的稳定性和偏心支撑良好的耗能性能以及预应力的受力优点。

在设计计算过程中假定材质连续均匀、柱与斜撑连接采用铰结、模型本身质量不计，忽略底部与板连接的斜撑，利用PKPM程序进行立体模型建立，利用结构力学求解器进行内力分析计算得出整个结构的内力图及变形图，并对结构杆件进行强度及稳定性计算校核。

同时，对模型进行了大量加载实验。

通过计算和实验，最终确认该模型能满足强度、刚度及稳定性的要求，实用和美观结合体现了结构有形、创意无限的大赛主题思想。

二、本模型设计的六大特点说明1：预应力束管柱的制作与组合：由于加载过程中主要部位的竖向支撑柱为大偏心受压（即一侧受压一侧受拉），故在柱截面受拉一侧布置蜡线并且施加预应力。

由于管内预应力较大导致管体向受拉一侧均匀弯曲，则考虑使用普通纸管与预应力纸管通过纸带螺旋加箍束缚组合形成束管的方案消除预应力带来的初始偏心。

最终，在束管成型后，加载试验证明，该预应力束管柱较之相同截面尺寸的纸管柱抗压抗扭承载力可以提高1.2倍左右。

2：空间斜撑构成3个刚性面与分层连接板的布置方案：该框架结构以束管作为主要的受力构件，为提高整体性并减小受压束管的自由长度，我们采用分段合理增加空间斜撑并且使用纸板作为连接板的方案。

通过计算，我们把主要受压构件的自由长度控制在200mm以内，来降低失稳的可能性。

综合考虑水平加载方式和结构布置特点，我们通过空间斜撑在竖直方向上形成3个刚性面层并通过空间斜撑和连接板加强边柱与抗扭较好的中柱之间的连接，以此提高结构抗扭承载力和整体性。

空间斜撑中的另一大亮点就是位于第二层的刚性面刻意抬高避开底部斜撑形成偏心支撑有利于能量耗散。

众所周知，通过偏心柱段剪切屈服限制支撑受压屈服，从而保证结构有很好的的承载能力和良好的耗能性能。

我们正是利用这一点措施来增强结构底部抗弯能力。

3：Sap2000与PKPM建模并且对结构进行有限元分析与结构力学求解器的建模、分析、校核：通过Sap2000建立立体模型后并对空间结构进行弯矩、剪力和破坏形式的分析，并导出分析图与部分数据。

使用PKPM2005版本中的PM-CAD程序模块按照结构真实尺寸对结构进行分层建模形成计算简图、立面图、平面图、空间立体图，并且对四层进行组装形成整体结构立体图。

处理比较棘手的空间连接板时，我们将其抽象建模成为高度较小宽度较大的扁梁。

在内力计算过程中我们使用清华大学袁驷教授制作的结构力学求解器V2版本，对采用PKPM2005建模形成的计算简图进行内力分析计算来校核之前Sap2000分析结果。

4：蜡线结合白乳胶的节点固定：试验得出，蜡线浸透白乳胶充分干燥后，蜡线抗拉强度大大提高并且可塑成一定形状。

以此我们使用浸胶蜡线缠绕关键节点，使之形成一层外包的硬壳，增强杆件之间的连接。

5：加厚顶板的制作方案：考虑到加载点把弯剪扭均匀传递到下部支撑，加强各个承载点间共同协作的能力，我们制作了一块刚度较大的加厚顶板（尺寸见顶层平面图）由两张卡纸胶结而成。

此顶板间有一强化传力层，是通过两条长宽分别为400X80（mm）、250X80(mm)的两条加厚纸带十字交叉构成。

加厚纸带使用两层卡纸，卡之间布置浸胶蜡线网，蜡线内白乳胶干燥后刚度较大保证充分传力。

并在柱顶处的纸板内部再加一层50X50（mm）的方形块垫层于加厚纸带下部，保证顶板与柱顶紧密接触。

6：空间构件的合理布置组合提高结构的美观度与现代主义的建筑思想：伟大的建筑大师柯布西耶告诉我们“任何结构形态都具有二重性”。

我们将这一思想赋予到Babel Tower中去。

整体来看，首先，竖向承载束管与斜撑相辅相成形成均一个合理均衡的受力整体，也就是结构形态具有受力特性即理性逻辑。

其次，看似复杂又具有很强的逻辑性与视觉冲击力的空间斜撑与连接板的合理搭配，在于解释Babel Tower形态具有明确的几何特征即形态逻辑。

小处着眼，外露的空间斜撑和连接板的交错布置，体现了现代建筑主义简洁明快富有张力的风格，蕴含着一种结构和建筑相互结合的“建构美”，也映衬了歌德的那句话“建筑是凝固的音乐”。

竖向束管的缠绕纸带螺旋向上时隐时现使得结构别具一格、独具匠心。

加载点处布置简单合理传力均衡，结构底部与木工板的连接使用了束管连接以及斜撑连接使得结构给人以稳重踏实的感觉。

总之，在我组三人共同努力下，经过三个月的精心计划和概念设计，加之一个半月的认真制作、维护与改进，最终完成Babel Tower。

从承载设计到造型设计我们一直采用概念设计的理论指导思想围绕着“结构、协作、力与美”的主题，并且结合试验结果合理安排与组合空间。

在增强和扩展本专业知识和课外知识面的同时，我们相互分工协作。

从最开始的迷茫直至希望的出现，我们也始终不停的探索和努力从未气馁。

对于结构设计我们追求的是结构和造型的平衡，人与人之间的协作，理论与实际的结合，最终通过多于别人的努力付出用心完成我们自己的作品！也正因如此我们以Babel Tower命名我们的结构（Babel源自«圣经»第十一章，乘坐诺亚方舟幸免于洪灾的人类希望建造一座Babel通往上帝的住所与上帝见面，上帝认为人类过于骄傲便混乱了人类的语言，最终人类用毅力与智慧打动了上帝，Babel一词在希伯来语中也译作“将杂乱融合”）。

三、计算书理论分析说明1、材料的力学性能试验与分析：（1）、卡纸的抗拉强度：卡纸（单层0.3 mm）作为模型材料，受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗弯压能力几乎为零。

制作长度为100mm、宽度为8mm的纸条试件3个，测试其质量和受拉极限荷载，然后计算出卡纸的密度和平均抗拉强度，见下表：（2）、蜡线的抗拉强度：蜡线作为模型材料，受拉性能良好，抗弯，抗压性能几乎为零。

制作长度为100mm单根蜡线试件3根，测试其质量和受拉极限荷载，然后计算出蜡线的线密度和单根蜡线极限荷载，见下表：（3）、空心杆的质量及轴心受压极限承载力：见下表（4）、结论（1）相同质量的图纸和蜡线，蜡线抗拉能力明显优于图纸，因此，模型中纯受拉构件应尽量使用蜡线或纸杆与蜡线的组合体。

从结构受力和材料特性角度来看，预应力构件的采用显得尤为重要。

（2）由试验可知，将纸张卷成内径10mm，外径12mm的圆筒，当长100mm时，可承受200N左右的压力。

可见，将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，相同质量的纸杆，越短承载力越大，因此，模型中压杆自由长度应尽可能短，而且尽量不受弯矩作用。

上图为Sap2000制作的结构空间简化图。

四、Babel结构方案的计算书1、所选结构方案去除底部斜撑的三维图（PKPM建模）,图1。

2去除斜撑后的三维透视图（PKPM建模），图2。

3、立面图(CAD制图)，下图图3。

4、侧视图与俯视图（Sap2000制图），下图图4。

5、计算简化图（结构力学求解器制作图），下图图5。

5、在给定荷载形式作用下(竖直方向两边各5Kg,水平方向一侧10Kg)，内力分布情况图（结构力学求解器制图），图5，图6。

图5：轴力图水平施加98N力产生的轴力图图6：弯矩图·杆端 1 杆端 2单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩--------------------------------------------------------------------------------------------1 0.00000000 -49.0000000 -0.00000000 0.00000000 -49.0000000 -147.0000002 0.67394597 -43.9454052 -147.000000 0.67394597 -43.9454052 -234.8908103 -41.3817585 7.69877099 -224.770193 -41.3817585 7.69877099 -186.2763384 -5.09932655 -0.00000000 -0.00000000 -5.09932655 -0.00000000 0.000000005 -44.1613835 2.01851353 -35.8662703 -44.1613835 2.01851353 14.59656796 -40.6917757 6.31880543 -186.276338 -40.6917757 6.31880543 -123.0882847 -45.7463705 5.81480093 -123.088284 -45.7463705 5.81480093 -35.86627038 -42.6353512 -0.24179214 14.5965679 -42.6353512 -0.24179214 3.715921539 8.37271696 -2.56364667 -10.1206168 8.37271696 -2.56364667 -61.393550210 8.37271696 2.56364667 -61.3935502 8.37271696 2.56364667 -10.120616811 0.67394597 43.9454052 -234.890810 0.67394597 43.9454052 -147.00000012 0.00000000 49.0000000 -147.000000 0.00000000 49.0000000 -0.0000000013 -5.09932655 0.00000000 -0.00000000 -5.09932655 0.00000000 0.0000000014 -40.6917757 -6.31880543 -123.088284 -40.6917757 -6.31880543 -186.27633815 -41.3817585 -7.69877099 -186.276338 -41.3817585 -7.69877099 -224.77019316 -45.7463705 -5.81480093 123.088284 -45.7463705 -5.81480093 35.866270317 -44.1613835 -2.01851353 35.8662703 -44.1613835 -2.01851353 -14.596567918 -42.6353512 0.24179214 -14.5965679 -42.6353512 0.24179214 -3.7159215319 -5.12729334 -0.00000000 0.00000000 -5.12729334 -0.00000000 0.0000000020 -6.50725890 -0.00000000 0.00000000 -6.50725890 -0.00000000 -0.0000000021 -6.50725890 0.00000000 -0.00000000 -6.50725890 0.00000000 0.0000000022 -9.67723295 -0.00000000 0.00000000 -9.67723295 -0.00000000 -0.0000000023 -9.67723295 0.00000000 -0.00000000 -9.67723295 0.00000000 0.0000000024 -12.7292974 -0.00000000 0.00000000 -12.7292974 -0.00000000 -0.0000000025 -1.17795046 -0.00000000 -0.00000000 -1.17795046 -0.00000000 -0.0000000026 -1.54284840 0.00000000 0.00000000 -1.54284840 0.00000000 -0.0000000027 -1.17795046 -0.00000000 -0.00000000 -1.17795046 -0.00000000 0.0000000028 -1.54284840 0.00000000 -0.00000000 -1.54284840 0.00000000 0.0000000029 -1.68297137 -0.00000000 0.00000000 -1.68297137 -0.00000000 0.0000000030 -2.64164504 -0.00000000 0.00000000 -2.64164504 -0.00000000 -0.0000000031 -1.68297137 -0.00000000 -0.00000000 -1.68297137 -0.00000000 -0.0000000032 -2.64164504 -0.00000000 0.00000000 -2.64164504 -0.00000000 -0.0000000033 -0.73427344 0.00000000 -0.00000000 -0.73427344 0.00000000 0.0000000034 -0.73427344 0.00000000 0.00000000 -0.73427344 0.00000000 -0.0000000035 -2.15813549 -0.00000000 0.00000000 -2.15813549 -0.00000000 -0.0000000036 -2.15813549 0.00000000 -0.00000000 -2.15813549 0.00000000 0.00000000杆端 1 杆端 2单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩--------------------------------------------------------------------------------------------1 6.35882757 -58.3674226 142.637597 6.35882757 -58.3674226 -586.9551852 84.4765950 -61.1403387 553.546551 84.4765950 -61.1403387 -210.7076823 58.3674226 6.35882757 -142.637597 58.3674226 6.35882757 -47.25518374 73.5302676 10.8595619 -47.2551837 73.5302676 10.8595619 115.6382465 73.5302676 -7.38993352 115.638246 73.5302676 -7.38993352 4.789243366 110.605572 23.5061539 4.78924336 110.605572 23.5061539 239.8507837 110.605572 -8.47252790 239.850783 110.605572 -8.47252790 70.40022518 150.565095 16.5021741 70.4002251 150.565095 16.5021741 482.9545799 2.77291614 78.1177675 -1140.50173 2.77291614 78.1177675 -749.91289910 0.18531397 43.4451576 -749.912899 0.18531397 43.4451576 -315.46132211 0.18531397 78.2769954 -315.461322 0.18531397 78.2769954 858.69360812 0.32177108 51.3976974 858.693608 0.32177108 51.3976974 2143.6360413 0.18768121 64.9712891 2143.63604 0.18768121 64.9712891 5067.3440514 -61.1403387 13.5234049 -210.707682 -61.1403387 13.5234049 -7.8566092715 -73.7155816 8.86344258 -7.85660927 -73.7155816 8.86344258 125.09502916 -73.7155816 -7.91365315 125.095029 -73.7155816 -7.91365315 6.3902321317 -110.927343 23.0961486 6.39023213 -110.927343 23.0961486 237.35171818 -110.927343 -8.36435924 237.351718 -110.927343 -8.36435924 70.064533319 -150.752777 16.5265366 70.0645333 -150.752777 16.5265366 483.22794920 24.2723951 -0.00000000 -0.00000000 24.2723951 -0.00000000 0.0000000021 -14.4528218 -0.00000000 0.00000000 -14.4528218 -0.00000000 0.0000000022 20.3790159 -0.00000000 0.00000000 20.3790159 -0.00000000 -0.0000000023 -20.1302105 -0.00000000 0.00000000 -20.1302105 -0.00000000 -0.0000000024 -18.2494955 0.00000000 0.00000000 -18.2494955 0.00000000 0.0000000025 48.2612314 -0.00000000 0.00000000 48.2612314 -0.00000000 0.0000000026 16.7770957 0.00000000 -0.00000000 16.7770957 0.00000000 0.0000000027 -48.4388588 -0.00000000 0.00000000 -48.4388588 -0.00000000 -0.0000000028 31.4605078 0.00000000 -0.00000000 31.4605078 0.00000000 -0.0000000029 -46.9640484 -0.00000000 0.00000000 -46.9640484 -0.00000000 -0.0000000030 47.1221736 0.00000000 0.00000000 47.1221736 0.00000000 0.0000000031 -31.9786818 0.00000000 -0.00000000 -31.9786818 0.00000000 0.00000000 综合以上数据与反复实验，在结构两侧竖向加载7.26KG的前提下，水平荷载约为150N。