力行队模型设计竞赛说明书
格栅拱架模型设计竞赛说明书
设计题目：格栅拱架模型设计
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目录
一.设计说明 ...............................................................................................................................3 1.1 方案构思 .........................................................................................................................3 1.2 模型制作材料及工具 .....................................................................................................4 二.设计方案 ...............................................................................................................................4 2.1结构选型 ..........................................................................................................................4 2.2模型参数的获得及方法 ..................................................................................................6 2.3模型设计方法与步骤 ......................................................................................................6 2.4模型设计图纸 ..................................................................................................................6 三.风险与对策 ...........................................................................................................................8
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一.设计说明
根据本次竞赛的主题及规则要求，本次竞赛设计格栅拱架的设计及建造，并通过加载试验检验其承载力和变形特性，从而确定支护结构的可行性，合理性和科学性。在满足设计要求的前提下，本着用最少材料承载最大重量的原则，采用比赛所使用的白卡纸，所在团队精心制作了拱架模型。
1.1 方案构思
本作品由上下两部分组成，考虑到圆柱的抗压与抗扭能力较强，类似于钢管。整体采用圆柱结构，圆柱与圆柱之间由“插孔”系统连接，分为两部分，上部分是四段直线圆弧拱形，再通过构建三角体系，形成完整的整体，具有很好的稳定性、很好的抗压能力。下部结构为立柱，通过与上部结构搭接形成整体。上部受力时通过横梁传递给立柱，由于立柱有足够的强度，所以整个模型就可以稳定受力。由于模型是放在加载箱里，这里可以不考虑上部结构横向变形，经检验，该作品结构设计合理，能较好的承受住外部荷载。
根据竞赛规则要求，本届大学生结构模型设计竞赛赛以格栅拱架结构为原型。我们本着大学生结构竞赛 “模型有限，创意无限” 的理念，从模型的用材性能、加载形式和制作方便程度等方面出发，设计出合理的结构。通过模拟拱架以及受力加载，了解此类结构的抗压性能，对现实格栅拱架的功能性具有现实的研究意义。
该模型制作完成后将承受竖向均布荷载，结构承受竖向静荷载容易实现。关键是如何保证模型在质轻的条件下能够承受住竖向力的作用。本队充分利用卡纸的材料性能，采用圆形柱作为基础受力结构。圆形柱具有等截面，等刚度的性质，在此基础上对广义圆截面进行改装以达到增强结构的稳定性的效果。
该模型主要承受竖向均布荷载，上部沙子，钢板及砝码荷载。因水平方向有加载箱，则不考虑水平方向荷载，在承受竖向均布荷载时，要考虑压杆稳定性因素，也要考虑结构的强度和刚度，同时必须主要考虑结构的抗剪能力。
本结构主要构思利用8根竖向柱子承受上部荷载所给予的压力，上部拱形采用四段结构，依靠16根小短柱连接4根主梁，中间穿插8根斜杆主要受力，上部左二和右二依靠三根横梁承受结构内部水平力。
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1.2 模型制作材料及工具
230g巴西白卡纸，规格230g/m2，787mm∗1092mm，速干白乳胶，丁字尺，美工刀，剪刀，2B铅笔，毛刷，三角尺，制作图板，吹风机，模具，吹风机等。
二.设计方案
2.1结构选型
对于模型的结构选型，刚开始的时候没有突破传统思维，因上部结构用类似于管棚结构的样子，用纸折成三角形，然后粘一块，形成一个圆弧的结构（模型1）。
经试验研究分析，传统思维上的构造稳定性差，白卡纸纸只有一层，非常薄，与下部结构连接强度很差，很容易造成上部结构损坏，于是放弃模型一。
之后团队开始采用圆柱结构。先做一半的结构（模型2），用细圆柱的模具卷纸成圆柱后，经过实验之后，发现圆柱强度高，抗压能力很强。因所卷圆柱比较细，又比较厚，所以几乎类似于钢筋的形式。经过一番初始的加载试验，团队决定采用圆柱做最终模型。
但是两个半模型之间连接（模型3）出现了问题，手工作业下人工误差无法避免，两个半模型连接就不在一个平面上，所以就不容易连接。经过讨论后，我们决定直接做整个横梁。虽然有点难卷，但是还是克服下来了，不过它的自重增加了许多。
通过不断探索，我们改变了主体框架的形式。一番修补之后模型的整个框架由五根主力横梁和一些提高稳定性的辅助杆件构成（模型4），从外观看，有类似三个三角形搭接在一起，三角形具有稳定性。以力学实验数据和计划荷载为基础去设计柱子等构件的结构和大小，以求在满足荷载要求的情况下，尽量减少不必要的构件，从而减轻模型的自重，节省材料同时提高了稳定性。
各图是我们制作过程试验的模型，模型4是我们最终的方案。
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模型1 模型2
模型3
模型4
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2.2模型参数的获得及方法
正常情况下，纸梁的强度大多数由正应力控制，通过对实心纸筒和空心纸筒性能比较，发现空心纸筒的抗弯截面系数较大，综合性能较好。
通过实验室测试研究，在用纸量，纸筒内径，纸厚对纸筒性能的影响，结合模型的外观尺寸，最终定量设计以下构件（单位：毫米）：
立柱：长200，内径27，外径32 横梁: 梁长600，内径为22，外径为27
斜撑：长280，内径为8，外径为17
横撑：横撑长300，内径为8，外径为17，
结构件位置示意截面图
2.3模型设计方法与步骤
模型搭建：先是在横梁上定位开孔距离和个数。然后把斜柱、斜撑、上横撑插进去，用乳胶粘好，然后再把下横撑搭接到横梁上，接上短撑。最后把立柱粘结好，固定结实。
2.4模型设计图纸
实物模型结构如下图
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实物图（结点）
实物图（连接）
利用sketchup软件画出的模型图：
模型仰视图
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模型侧视图
模型正视图
三.风险与对策
风险1：经过计策加载试验，我们发现本结构对支撑的立柱垂直性要求很高，因上部结构所加荷载全部由8根立柱承担，这就要求立柱必须时刻与接触面保持垂直。在实验中，一旦立柱在加载过程中出现向里偏斜，那么模型的加载效果就
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会大打折扣.对策1：在立柱底部相互之间加横向连接，且事先制作一整排立柱，待立柱稳定之后再安防到斜拱之下，这样避免因个别立柱失稳造成整体性失稳。
风险2：横梁开口时容易存在开口大小不一，开口位置不在一条直线上，可能导致模型连接时杆件角度出现偏差，进而出现模型失稳等不利因素。
对策3：经实验研究发现，可在横梁连接时标注确定位置，各个开口位置用铅笔描线，以确保开口在一条直线上，靠口大小尽量只小不大。
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