競賽計算書
作品名稱：
參賽隊員：管鐘、謝娟、劉派
（一）.設計構思
1.1 競賽賽題分析
1. 本次競賽要求製作允許模擬車輛進出的竹製材料料倉。
2.模型承受的荷載由鐵砂和附加荷載實現。模型試驗承受豎向荷載和水平荷載。
3.本次競賽採用豎向和水平衝擊荷載載入，模擬風荷載**等荷載，檢驗其抗壓能力和抗破壞能力。
4.模型總高度h不超過900mm，平面尺寸不大於200×200mm（水平投影），料倉下端出料口離底板高度h不小於200mm，出料口尺寸不大於60×60mm。下端運料出口尺寸能保證長160mm×寬120mm×高195mm的模擬車輛進出。
5.模型在離底板高度200±2mm處設定水平衝擊荷載載入點，其中水平衝擊荷載採用自由落體高度100mm的4kg、6kg重物通過牽引繩產生。模型上應設定尺寸不小於30mm×30mm的位移測試平面，中心離底板距離為400mm，位於模型平面中軸線上。
6. 材料：竹材，用於製作結構構件。有如下三種規格：
1.2模型設計思路
我們以概念設計輔助計算設計為基礎，從設計開始，把握好容量大小、建築體型，結構體系、剛度分布、構件延性等主要方面，從根本上消除構件中的抗壓抗拉薄弱環節，再輔以必要的計算和構造措施,可以設計出具有良好抗拉抗壓性能和足夠可靠度的穩定性。
1.模型主要承受豎直荷載和較大的水平動載，豎直荷載要求模型有較強的抗壓性能，水平動載對結構的剛度要求較高，同時要求結構有較強的抗剪能力。按設計要求，在模型承受荷載情況下外加較大的水平動力荷載，因此，我們選擇了整體構造截面為矩形的框架結構,並且利用箱型梁與正方形。
桿件為交錯設計，質量剛度沿截面形式均勻分布，上部結構與下部結構的重心位於同一豎直軸上，這樣上部結構的自重不會在下部結構截面中引起過大的附加彎矩。避免結構模型偏心受扭，做到了受力方式合理，傳力路徑明確，整體性、抗震性較好。
3.在載入過程中，荷載等效為三角荷載作用於柱上。通過鉸接，該模型的柱和梁形成了乙個統一的整體。
梁在荷載作用下，其彎矩使得縱樑下部受拉，上部受壓。梁與梁之間設有斜桿做支撐，使得支撐部分連為乙個整體，並且加強梁對荷載的抵抗能力。
4.利用下剛上柔的設計原理。模型主要承受較大豎向荷載，故正面利用斜向杆，側面利用豎向杆進行支撐，既抗豎向荷載又抗水平動荷載。
5.充分利用竹質材料的特性，既足夠強韌又足夠輕。
6.在模型每個節點處都用厚度為0.20mm的材料做成的腰為30mm的薄片進行貼上，來保證模型在震動過程中不會節點先壞。
7.所有的梁均採用三角形立放，杆和梁均做成空心結構。梁的抗彎強度不足時，增加截面高度比增加截面寬度更有效。
對具有相同截面面積的實心及空心截面進行理論分析發現，不論截面的幾何形狀如何，空心截面的抗彎截面模量zw總比實心截面的大。
8.在設計合理的前提下，我們必須保證我們的做工精細、合理，這樣才能使設計的模型最大程度的展現其作用。
（二）作品介紹
2.1 尺寸參考數介紹
主要承重結構：柱，橫樑，次梁，撐桿，拉帶尺寸與數量表。
2.2 結構三檢視
立體圖2.3設計作品特色
● 充分考慮抗壓抗拉概念設計要求
● 形體規則，結構簡單，結構簡單性保證橫向荷載有明確而直接的傳力路徑
● 結構體系合理，有效避免結構或構件區域性破壞
● 受力明確，橫向荷載作用傳遞途徑合理
● 節點加強處理，提高薄弱部位抗拉抗壓能力
● 製作方便，符合競賽要求
在遵守規則的前提下，我們綜合考慮各個因素設計的玉宇亭有以下六個特點:
1.從結構外形看，結構前後對稱，左右空間對稱，質量剛度沿截面形式均勻分布，避免結構模型偏心受扭，結構簡單，傳力路徑明確，穩定性、整體性、抗震性好；
2.根據結構受力特點等，我們從增強剛度和採取構造措施對柱採用支撐做了加強處理；
3.考慮材料有較高的抗拉效能，結合材料的力學效能，主梁設計為三角形，增強梁的抗彎性和承載能力。
4.根據模型載入後每根桿對抗壓性與抗拉性的需求不同，設計符合受力需求的抗壓結構與抗剪結構，我們採用了不同的斜拉桿與拉帶形結合成幾何不變體，充分發揮了材料的抗拉性；
5.在結構的底層採用了空間對稱的對角式小型斜拉桿，既增強了抗壓性能、節省了材料，又未改變整體的幾何中心位置，並且在柱與主梁間附加小型斜拉桿，使該部分構件最大拉應力和最大壓力同時達到材料的許用應力。
2.4形體設計說明
● 三層正四稜柱「竹質空間」房屋結構模型
採用稜臺底座結構模型。在載入過程中，荷載等效為均布荷載作用於柱和梁上。通過鉸接，該模型的柱和梁形成了乙個統一的整體。
梁在均布荷載作用下，其彎矩使得縱樑下部受拉，上部受壓。梁與梁之間設有斜桿做支撐、拉帶增強抗剪能力，使得支撐部分與抗剪連為乙個整體，並且加強梁對荷載的抵抗能力。
合理安排梁的間距與橫截面尺寸，使得樑能在結構不破壞、滿足位移要求的條件下盡可能多的承受荷載。
● 結構外形
結構平面為邊長為196mm的正方形，柱高745mm，整體為216*216*745mm的正四稜柱，梁採用。
● 材料截面選擇
我們採用三角形形柱承受鐵塊荷載和水平動載。主體承力矩形柱由截面面積10mm*10mm空心構件，梁由厚度為0.35mm的竹製紙粘結成截面為6mm*4mm的空心杆，中間的斜拉桿是由厚度0.
25mm的竹製紙粘結成截面為3mm*3mm的空心杆。
● 節點設計
在模型的每個節點都用楔形組合連線，在用膠水粘粘，最後再外用薄片粘結避免裂縫導致受力路徑間斷而使作用力不能連續傳遞導致節點先破壞，從而將節點模擬成為剛性節點形式，使各桿在此節點既不能相對移動，也不能相對轉動。
（三）簡單受力分析
3.1、靜力分析
根據受力特點及結構形式，將荷載簡化為均布力，分別同時施加在結構的四根承重柱上。根據荷載的分布和動荷載的載入，找出受水平衝擊荷載點，分析其強度，剛度和穩定性。……(分析)
3.2強柱、弱梁、更強節點核心區
結構應具有必要的承載力，剛度、穩定性、延性及耗能等方面的效能。主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度。承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。
合理控制結構的非彈性部位(塑性鉸區)，掌握結構的屈服過程及最後形成的屈服機制，採取有效措施防止剪下和脆性破壞。
為保證結構抗拉安全，結構單元根據具體情況，採取加強連線的方法。
3.3合理選擇截面形式
由梁的抗彎截面模量的定義可以推得：矩形截面梁，抗彎截面模量與截面高度的平方成正比，與截面寬度的一次方成正比。
通過對矩形、圓形、工字形、正方形截面的理論計算發現，在截面面積相等的情況下，zw從大到小依次是工字形、矩形(立放)、正方形和圓形。如果矩形平放，那麼其zw將不但小於立放，也小於截面相同的正方形。箱形截面也是土木工程中常用的梁截面形式，上下端的頂、底板面積較大，距中性軸較遠，截面的抗彎截面模量較大，所以抗彎能力較強。
梁的抗彎強度不足時，增加截面高度比增加截面寬度更有效。
對具有相同截面面積的實心及空心截面進行理論分析發現，不論截面的幾何形狀如何，空心截面的抗彎截面模量zw總比實心截面的大。
從強度的觀點出發，在選擇截面形狀時，優先選擇材料遠離中性軸的截面，如矩形空心截面等。
《土木工程概論》第三版葉誌明主編
《理論力學》第七版哈爾濱工業大學理論力學研究室編
《結構力學》第二版龍馭球、包世華主編
《材料力學第四版孫訓芳、方孝淑主編
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