结构名称：悬挑屋盖
学 院：机械与材料学院
专 业：机械设计制造及其自动化 团 队：飞鹰
姓 名：李登桥
刘 凯
三峡大学结构设计竞赛报名表
附表一：结构设计说明
附表二：结构设计图
一．作品说明
1.1屋盖整体结构图
悬挑屋盖采用桐木桁架结构，按照看台尺寸设计要求，以及所受荷载和风力的要求，我们设计了如下的悬挑屋盖。
1.2屋盖结构说明
1、为了使屋盖前檐能够承受较大的载荷，我们采用了拉杆结构，截面选用工字钢，这样可以承受较大的拉应力。
2、考虑到在B 点以下的区域内不能有杆件，但是有要求我们使屋盖有较大的结构强度，所以我们充分的利用B 点，在过B 点与水平方向上成45°处拉了一根斜杆，它能够承受较大的压应力，从而减少了对水平杆的压应力，使屋盖结构更强。
3、同样的为了使底座具有较强的抗拉抗压强度，我们选用的是回形钢，这样它既能够抗拉也能够抗压，增强了无盖的底座强度。
4，屋盖在承受静荷载的同时还应承受动荷载，为了使他能够承受风荷载，我们在屋架的结构内部，添加了一些杆件，主要是斜拉的这样就可以承受较大的
纵向荷载。
5、对于屋顶的覆盖材料，我们采用完全覆盖的方式，这样可以防雨起到遮雨的作用。
6、侧面的覆盖材料，我们将采用扇格的形式，这样在承受风荷载时风就可以从扇格间吹出，从而大大的减少了风荷载对底座的冲击力，保护了屋盖的整体结构。
1.3屋盖看台连接图
二．结构设计的主要特点：
2.1.屋盖设计特点
屋顶采用三角形的稳定性和直角三角形的固定特性；在屋盖支架设计为菱形形状；既可以达到帮助前坡和后坡两根梁分解一些压力，又可以达到对底梁的加紧和固定作用。由于在屋盖的前端要设计为平台；用于承载要求的一定重量；设计采用四根主梁架一起承受。
屋盖设计成为常规的三角前后坡的形状；并且后坡的长度大于前坡的长度；以便于雨水能够更多的从后坡流走。在前坡受力和尺寸都允许的地方建造承重平台。达到外形优美的效果。
利用工字钢的受力优越性，将底梁（即主承受梁）设计成工字钢。
屋盖三角形设计
主梁的工字钢设计
2.2. 支撑梁的设计特点
采用八根支撑梁一起支撑整个结构的重量，八根梁位于矩形底座的边长之上；通过计算确定其位置。八根梁中根据受力情况的不同来设计其粗细；前面四根梁承受的压力比前面的大，因此均比后面四根要粗一些。
3.3.底座设计特点
底座设计成先板块连接再与八根支撑杆连接；利用板块的连接达到固定连接孔的效果，在板块之间利用小形的条状连接构成连接孔，板块有利于在各种各样的场地进行安装和固定。
底座连接设计
三．结构内力计算
3．1材料参数说明
1、木材：桐木，长度1000mm ，截面规格有2mm ×2mm 、2mm ×4mm 、2mm ×6mm ，4mm ×6mm ；1mm ×55mm ；
2、木材力学性能参考值：顺纹弹性模量1.0×104MPa ，顺纹抗拉强度30MPa 。
3.2屋盖结构中用到的组合杆件
1、工字钢：2mm ×2mm ，2mm×6mm两种规格木料的组合。
2、回形钢：2mm ×2mm ，2mm×6mm两种规格木材的组合。
3．3组合杆件参数计算
1、工字钢
我们运用PRO/e软件分析得到：
根据_GONGZIGANG坐标边框确定重心:
X Y Z 0.0000000e+00 1.3000000e+00 0.0000000e+00 毫米
相对于_GONGZIGANG坐标系边框之惯性. (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 4.3790933e+02 0.0000000e+00 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 4.6453333e+02 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 3.5470933e+02
重心的惯性(相对_GONGZIGANG 坐标系边框) (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 3.1487733e+02 0.0000000e+00 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 4.6453333e+02 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 2.3167733e+02
主惯性力矩 (公吨 * 毫米^2)
I1 I2 I3 2.3167733e+02 3.1487733e+02 4.6453333e+02
从_GONGZIGANG 定位至主轴的旋转矩阵:
0.00000 1.00000 0.00000
0.00000 0.00000 1.00000
1.00000 0.00000 0.00000
从_GONGZIGANG 定位至主轴的旋转角(度):
相对 x y z 的夹角 -90.000 0.000 -90.000
相对主轴的回旋半径：
R1 R2 R3 1.7839229e+00 2.0797207e+00 2.5260547e+00 毫米
2、回形钢
根据PRT_CSYS_DEF坐标边框确定重心:
X Y Z 2.7142857e+00 1.3000000e+00 0.0000000e+00 毫米
相对于PRT_CSYS_DEF坐标系边框之惯性. (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 4.3790933e+02 -2.5688000e+02 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz -2.5688000e+02 1.0365333e+03 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 9.2670933e+02
重心的惯性(相对PRT_CSYS_DEF 坐标系边框) (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 3.1487733e+02 0.0000000e+00 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 5.0019048e+02 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 2.6733448e+02
主惯性力矩 (公吨 * 毫米^2)
I1 I2 I3 2.6733448e+02 3.1487733e+02 5.0019048e+02
从PRT_CSYS_DEF 定位至主轴的旋转矩阵:
0.00000 1.00000 0.00000
0.00000 0.00000 1.00000
1.00000 0.00000 0.00000
从PRT_CSYS_DEF 定位至主轴的旋转角(度):
相对 x y z 的夹角 -90.000 0.000 -90.000
相对主轴的回旋半径：
R1 R2 R3 1.9162925e+00 2.0797207e+00 2.6212112e+00 毫米
3.4屋盖整体受力计算
1、水平梁强度校核
根据压杆稳定校核公式：
n =F cr ≥n st ………………………………………………. ① F
F cr :横梁所受的临界压力。
F ：横梁所受的工作应力。
n st ：衡量的安全系数。
又由欧拉公式可得：
π2EI F cr =………………………………………………. ② 2(μl )A
E ：桐木的弹性模量。
I ：工字钢的横截面的惯性矩。
μ：泊松常量。
l ：为横梁的长度。
A ：横梁的横截面面积。
通过以上的计算公式以及已知的参量我们通过校核可以得到横梁的安全系数
n st =2.5。
2、底座强度校核
用横梁校核的同样方法，我们可以计算出底座的安全系数为n st =2.2.
四．模型优缺点
4.1. 优点:此模型可以满足体育场看台所要求的基本功能和要求，而且悬挑屋盖能够满足较强的强度要求，可以得到推广。
4.2. 缺点：此模型在美观上并没有太多的创意，还需做大的改进。
结构名称：悬挑屋盖
学 院：机械与材料学院
专 业：机械设计制造及其自动化 团 队：飞鹰
姓 名：李登桥
刘 凯
三峡大学结构设计竞赛报名表
附表一：结构设计说明
附表二：结构设计图
一．作品说明
1.1屋盖整体结构图
悬挑屋盖采用桐木桁架结构，按照看台尺寸设计要求，以及所受荷载和风力的要求，我们设计了如下的悬挑屋盖。
1.2屋盖结构说明
1、为了使屋盖前檐能够承受较大的载荷，我们采用了拉杆结构，截面选用工字钢，这样可以承受较大的拉应力。
2、考虑到在B 点以下的区域内不能有杆件，但是有要求我们使屋盖有较大的结构强度，所以我们充分的利用B 点，在过B 点与水平方向上成45°处拉了一根斜杆，它能够承受较大的压应力，从而减少了对水平杆的压应力，使屋盖结构更强。
3、同样的为了使底座具有较强的抗拉抗压强度，我们选用的是回形钢，这样它既能够抗拉也能够抗压，增强了无盖的底座强度。
4，屋盖在承受静荷载的同时还应承受动荷载，为了使他能够承受风荷载，我们在屋架的结构内部，添加了一些杆件，主要是斜拉的这样就可以承受较大的
纵向荷载。
5、对于屋顶的覆盖材料，我们采用完全覆盖的方式，这样可以防雨起到遮雨的作用。
6、侧面的覆盖材料，我们将采用扇格的形式，这样在承受风荷载时风就可以从扇格间吹出，从而大大的减少了风荷载对底座的冲击力，保护了屋盖的整体结构。
1.3屋盖看台连接图
二．结构设计的主要特点：
2.1.屋盖设计特点
屋顶采用三角形的稳定性和直角三角形的固定特性；在屋盖支架设计为菱形形状；既可以达到帮助前坡和后坡两根梁分解一些压力，又可以达到对底梁的加紧和固定作用。由于在屋盖的前端要设计为平台；用于承载要求的一定重量；设计采用四根主梁架一起承受。
屋盖设计成为常规的三角前后坡的形状；并且后坡的长度大于前坡的长度；以便于雨水能够更多的从后坡流走。在前坡受力和尺寸都允许的地方建造承重平台。达到外形优美的效果。
利用工字钢的受力优越性，将底梁（即主承受梁）设计成工字钢。
屋盖三角形设计
主梁的工字钢设计
2.2. 支撑梁的设计特点
采用八根支撑梁一起支撑整个结构的重量，八根梁位于矩形底座的边长之上；通过计算确定其位置。八根梁中根据受力情况的不同来设计其粗细；前面四根梁承受的压力比前面的大，因此均比后面四根要粗一些。
3.3.底座设计特点
底座设计成先板块连接再与八根支撑杆连接；利用板块的连接达到固定连接孔的效果，在板块之间利用小形的条状连接构成连接孔，板块有利于在各种各样的场地进行安装和固定。
底座连接设计
三．结构内力计算
3．1材料参数说明
1、木材：桐木，长度1000mm ，截面规格有2mm ×2mm 、2mm ×4mm 、2mm ×6mm ，4mm ×6mm ；1mm ×55mm ；
2、木材力学性能参考值：顺纹弹性模量1.0×104MPa ，顺纹抗拉强度30MPa 。
3.2屋盖结构中用到的组合杆件
1、工字钢：2mm ×2mm ，2mm×6mm两种规格木料的组合。
2、回形钢：2mm ×2mm ，2mm×6mm两种规格木材的组合。
3．3组合杆件参数计算
1、工字钢
我们运用PRO/e软件分析得到：
根据_GONGZIGANG坐标边框确定重心:
X Y Z 0.0000000e+00 1.3000000e+00 0.0000000e+00 毫米
相对于_GONGZIGANG坐标系边框之惯性. (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 4.3790933e+02 0.0000000e+00 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 4.6453333e+02 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 3.5470933e+02
重心的惯性(相对_GONGZIGANG 坐标系边框) (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 3.1487733e+02 0.0000000e+00 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 4.6453333e+02 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 2.3167733e+02
主惯性力矩 (公吨 * 毫米^2)
I1 I2 I3 2.3167733e+02 3.1487733e+02 4.6453333e+02
从_GONGZIGANG 定位至主轴的旋转矩阵:
0.00000 1.00000 0.00000
0.00000 0.00000 1.00000
1.00000 0.00000 0.00000
从_GONGZIGANG 定位至主轴的旋转角(度):
相对 x y z 的夹角 -90.000 0.000 -90.000
相对主轴的回旋半径：
R1 R2 R3 1.7839229e+00 2.0797207e+00 2.5260547e+00 毫米
2、回形钢
根据PRT_CSYS_DEF坐标边框确定重心:
X Y Z 2.7142857e+00 1.3000000e+00 0.0000000e+00 毫米
相对于PRT_CSYS_DEF坐标系边框之惯性. (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 4.3790933e+02 -2.5688000e+02 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz -2.5688000e+02 1.0365333e+03 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 9.2670933e+02
重心的惯性(相对PRT_CSYS_DEF 坐标系边框) (公吨 * 毫米^2)
惯性张量
Ixx Ixy Ixz 3.1487733e+02 0.0000000e+00 0.0000000e+00
Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 5.0019048e+02 0.0000000e+00
Izx Izy Izz 0.0000000e+00 0.0000000e+00 2.6733448e+02
主惯性力矩 (公吨 * 毫米^2)
I1 I2 I3 2.6733448e+02 3.1487733e+02 5.0019048e+02
从PRT_CSYS_DEF 定位至主轴的旋转矩阵:
0.00000 1.00000 0.00000
0.00000 0.00000 1.00000
1.00000 0.00000 0.00000
从PRT_CSYS_DEF 定位至主轴的旋转角(度):
相对 x y z 的夹角 -90.000 0.000 -90.000
相对主轴的回旋半径：
R1 R2 R3 1.9162925e+00 2.0797207e+00 2.6212112e+00 毫米
3.4屋盖整体受力计算
1、水平梁强度校核
根据压杆稳定校核公式：
n =F cr ≥n st ………………………………………………. ① F
F cr :横梁所受的临界压力。
F ：横梁所受的工作应力。
n st ：衡量的安全系数。
又由欧拉公式可得：
π2EI F cr =………………………………………………. ② 2(μl )A
E ：桐木的弹性模量。
I ：工字钢的横截面的惯性矩。
μ：泊松常量。
l ：为横梁的长度。
A ：横梁的横截面面积。
通过以上的计算公式以及已知的参量我们通过校核可以得到横梁的安全系数
n st =2.5。
2、底座强度校核
用横梁校核的同样方法，我们可以计算出底座的安全系数为n st =2.2.
四．模型优缺点
4.1. 优点:此模型可以满足体育场看台所要求的基本功能和要求，而且悬挑屋盖能够满足较强的强度要求，可以得到推广。
4.2. 缺点：此模型在美观上并没有太多的创意，还需做大的改进。