專業：土木工程（數理強化班）
組員：文彬多 091122
唐龍 091148
王語桑 093772
路馳 092616
2023年7月21日
工程力學實驗設計報告
我們的桁架經過我們組員的一致努力，終於在20日上午順利完工了。在施工的過程中，有經驗，有汗水，有成功，有歡笑。在此，我們把其中的經驗做如下總結。
1. 設計構思及簡圖
這次實驗設計的要求是設計桁架。在所有的桁架受力體系中，按照以往的經驗，在同等材料的情況下，「芬克式」承受荷載的能力最為理想。故我們想要採用「芬克式」結構體系。
但是一般情況下「芬克式」所承受的荷載為作用在上弦的分布式荷載，而本次試驗的載入的位置為下弦的中部，故我們想在「芬克式」的基礎上做出一定改進，用一根豎腹杆連線下弦杆中部和桁架最上面的節點。這樣作用在下弦桿上的拉力就可以通過這根豎腹杆傳遞到桁架上面的節點，下弦杆所承受的壓力就能夠減少一些，結構就應該更加穩定。
至於具體細節部分，我們預計下弦杆中部所受的彎矩比較大，故在中部下方加粘一根8×8的木條。木條的長度跨越底部三個節點，以增強下弦杆對彎矩的承載能力。豎腹杆與下弦杆的連線節點處左右分別增加乙個小木塊。
小木塊沿豎直方向，高度約1.5厘公尺。這是為了增強節點的牢固性，防止豎腹杆受拉，造成脫膠破壞。
另外，在部分節點的外表面貼上小圓片。在這些節點的受力情況比較複雜，增加這些圓片來增強節點的穩定性。在兩個平行的平面桁架的連線部位，我們採用了木條與木板結合的方式。
其中在下弦杆中部使用兩個木片連線。兩個木片左右對稱。木片的面積比較大，這樣可以將載入的鋼筋造成的區域性壓強分散，增強結構對於區域性應力的抵抗性。
根據理論計算中的資料，我們在受力和撓度比較大的地方採用8×8的木條，比如下弦杆和豎腹杆。在其餘部分採用6×6的木條，以減輕結構重量。最終的設計圖如下（不包括加固構件）：
2. 理論計算過程與結果
由計算可知，圖中
由於力的作用點過於接近，這裡簡化為作用在下弦杆中點的乙個向下的力f。
由整體法，
得，，，方向均為向上。
分析桁架內部各節點，由理論力學知識可知，除中部豎腹杆，其餘腹杆均為零杆。
再分析a點，由
得，。。
分析d點，由
得，接下來校核各桿件的強度：
ac杆受壓，由
，解得，
cd杆受拉，由
，解得，
同時我們還要考慮到受壓桿件的穩定性問題：
結構中上弦杆是最長的受壓杆。
該桿件的慣性半徑 。
因桿件兩端均固定，故。
於是，通過查表可知，。
於是，。
此力過小，於是我們採取在上弦杆與下弦杆之間增加腹杆得辦法減小受壓桿件的長度，以此達到增大壓力的目的。
考慮到上弦桿上存在節點，長度應取上弦杆總長的，
這種情況下，
此時桿件失穩時的應力大於桿件的受壓極限，故不應再考慮穩定性問題。
故對於單個平面桁架，最終的承重極限為703n。這樣，整個結構的承重極限為1406n。由於手工製作的緣故，對稱性、節點的牢固性和其它一些指標可能不能達到預期，故我們估計整個結構的承重極限約為1200n左右。
最後經過電腦模擬得到如下模擬圖：
軸力圖：
彎矩圖：
撓度圖：
3. 製作過程
我們首先將粗木桿組裝成主要受力框架，然後再內部新增細部結構，最後將兩個同樣的桁架連線。依次順序，具體步驟如下：
1) 根據設計圖中的尺寸用鋸、剪刀等工具大致分割材料木條和木片。
2) 組裝下弦杆，將22cm的木條與50cm的木條中部粘牢，共同組成下弦杆。
3) 安裝豎腹杆。首先將15cm的豎腹杆的一端左右分別貼上乙個1.5cm高的小木條，然後將它們共同的底面用砂紙磨平，最後塗膠，粘在下弦杆中點處。
4) 將兩根29cm長的粗木桿的兩端分別按照設計圖以一定的角度打磨成斜平面，從而與下弦桿及豎腹杆端部契合。先將與下弦杆的接觸面粘牢，與豎腹杆的接觸面暫時不貼上，以便安裝內部結構。至此，三角形框架輪廓完成。
5) 將兩根16cm長的粗木桿按照設計圖以同樣的方法打磨成斜平面。其中一端與下弦桿上距中點約7cm處貼上。另一端與豎腹杆相連，連線處與上弦杆端部緊貼。
6) 將兩根9cm長的粗木桿按照設計圖一端打磨成垂直面，與下弦杆相連，連線部位緊貼16cm長的斜腹杆端部；另一端打磨成斜平面，與上弦杆粘連。該木條豎直放置。
7) 將上弦杆與豎腹杆的接觸面貼上。
8) 將兩根8cm的細木桿的兩端以同樣的方法與下弦杆、上弦杆相連。其中與下弦杆的貼上面緊貼9cm長的豎腹杆端部。與上弦杆的連線面位於其三等分點處。
9) 將兩根4cm長的細木桿的兩端加工後，沿豎直方向分別貼上到上弦杆的三等分點處。其中上端加工成兩個斜平面相交的形狀，與所對應的節點契合。
10) 至此乙個平面桁架以基本完成。按照同樣的步驟，製作另乙個平面桁架。
11) 將兩個平面桁架相連。其中在下弦杆的兩端用粗杆相連。豎腹杆頂端用兩根平行的細桿相連。在上弦杆的中點處用細桿相連，在下弦杆的中部節點兩側分別用木片相連。
12) 在設計及計算部分中可能出現較大應力的部分節點縫隙處用小木塊塞緊。這些小木塊由邊角餘料加工而成。
13) 最後在桁架上這些節點的外層用小圓片覆蓋。根據具體情況將這些小圓片加工成扇形、橢圓形及長方形。
在加工過程中還要注意一些細節問題。比如：在貼上之前，接觸面要先用砂紙打磨平滑，擦去木屑，均勻塗抹適量速乾膠，之後要迅速拼合粘接；在拼裝過程中，應保證節點處各木桿端部的外表面在同一平面內，以便於貼上小木片。
4.載入比賽情況和成績
我們班級共有7個小組，製作的桁架質量一般都在90g左右，我們組的質量為100g。大部分是三角形結構的，只有一組做了梯形結構。空間結構上都是兩個相同的平面桁架並列起來。
總體來說，大家的設計類似，對細節的處理就成為了成績的最大影響因素。
桁架的破壞情況也較為類似，都是因為空間結構的扭曲和側向滑移造成的橫向應力過大，超過結構的承載能力而破壞。大家在平時的學習訓練中理想化程度高，而實際加工的桁架不可能保證完全的對稱性，所以橫向的應力就會對結構造成較大的威脅。而各組在理論分析時一般僅考慮到了縱向受力，橫向的桿件也僅起到了固定作用。
我們小組的最終成績為1140n，荷質比為11.4，在我們班級中為中等水平。
5.載入破壞現象分析
實驗過程中伴隨著載荷的增大，桁架的兩個三角形平面發生明顯彎曲，當載荷增加到1140n時伴隨著"咔嚓"一聲我們的桁架發生了斷裂。具體的斷裂發生在三角形平面的一條斜邊上，根據斷口的分析可以明顯看出斷裂的原因是斜邊的木條發生了垂直於三角形平面向外的彎曲，經過小組組員的討論我們一致認為具體的斷裂原因如下：
主要原因：我們在計算載荷以及校核的過程中計算過於理論化，沒有考慮到實際的實驗過程中，力的作用點不在三角形的平面內，與三角架有一定距離，於是對垂直方向的桿件產生了垂直於平面向外的彎矩，這是在理論計算過程中沒有考慮到的，垂直的桿件由於兩端點有較強的加固，所以撓度不大，沒有破壞，而斜邊的桿件由於加固不夠撓度過大超過承載限度最終產生斷裂。
次要原因：由於兩桿見黏貼處不夠牢固造成乙個節點由於剪力破壞了節點的黏貼，這也對斜桿的斷裂埋下了隱患。
經過破壞分析我們吸取了經驗教訓，在理論計算過程中要細心再細心，考慮到所有應該考慮的因素，這也是土木工程師應該具備的素質，另外製作過程也要精細。總之通過對桁架破壞的分析，我們學到了很多書本上學不到的知識，做事要細心考慮要周全，這次試驗給我們上了難忘的一課。
斷裂情況**：
6.心得體會
從動員大會結束起，我們小組的工作就緊鑼密鼓地展開了。經過一天的研討與兩天的製作過程，我們感受頗豐。我們小組成員分工明確，配合融洽，充分展現團隊合作的重要意義。
它不是單純的個體力量的加和，而是1+1+1+1>4。將理想的模型付諸實踐，這是乙個膽大心細的過程。關鍵處我們在設計上大膽創新，在製作上如履薄冰。
我們有過失敗與埋怨，但最終都融化在合作與成功後的歡愉中。
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