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[力学架构] [精]No.9力学架构常见问题及解答


(由于网络上太多错误回答和分析,在此全面整理回答各种新选手的问题)

1.根据题目怎么选择结构形式?

答:可详见本书第三章,为了优化达到效果结构高效的方式,尽量让构件受拉压,尽量化弯为剪,充分利用竹皮材料的力学特性,杆件尽量轻少,受力直接。培养个人的结构概念体系可以学习这本书——罗福午《建筑结构概念设计及案例》。

2.请问什么是结构力学求解器?

答:参见本系列结构力学求解器是一个关于结构力学分析计算的计算机软件,其功能包括求解平面杆件结构(体系)的几何组成、静定和超静定结构的内力、位移,影响线、自由振动的自振频率和振型,以及弹性稳定等结构力学课程中所涉及的绝大部分问题。力学架构可利用该软件对于结构内力等进行求解分析。


3.请问结构力学求解器怎么使用?

答:请参见本系列中教程,注意网上视频教程操作没有问题,但是参数选取要慎重考虑,参数选取会对结构造成较大的影响!例如抗弯刚度和抗压刚度等。

 

4.一般做出来的架构重量控制在什么范围比较合适?

答:结构重量与赛题相关,从以往各届来分析,仅供参考的合理重量估算可参照本书附录B进行估算结构重量。


5.零基础,有点难度,怎么办?

答:多学习和阅读本书以及本书提供的参考书籍,多向老师和同学请教,始知真放本精微。


6.力学求解器使用时什么时候采用铰接,什么时候采用刚接?

答:两个杆件的节点,若设计后的杆件不可相对转动,则采用刚接,若两根杆件可以容易的相互转动,即不能传递弯矩,则采用铰接,例如拉带和普通杆件,在拉带的平面外方向是可以随意转动的,此时需要点胶处理,而通常杆件和杆件是以刚接处理,如果杆件和杆件以铰接处理,则做法上需要让节点能有部分转动能力,才能够与计算模型相符。


7.横隔板是什么?作用是什么?

答:横隔板的概念来源于桥梁结构,力构上的横隔板主要是为了连接四面竹皮使得构件成为整体作用,横隔板又称肋片,能给构件提供抗扭刚度和提高构件局部屈曲的能力,那些一小块的就是横隔板。

8.横隔板能提供抗弯刚度吗?横隔板建模怎么办?

答:横隔板提供的抗弯刚度几乎可以忽略,因此计算构件抗弯刚度可忽略横隔板作用,对于结构建模,计算整体受力时,可忽略横隔板进行建模,下图用Midas Gen建模两种模型(带和没带横隔板)可以得到抗弯能力的贡献几乎是一致的。

9.三角形好还是矩形截面好?

答:好和不好是相对的,主要考虑实施做法以及节点处理的简易型,各自优缺点,能计算解决三角形抗扭刚度不足等问题也可以采用三角形截面。


10.我们看理论力学中静力学部分够用吗?

答:静力学部分可能不够,需要深入到材料力学的学习,不过没关系,本书已将重要的内容罗列出来,跟着本书学习即可,而结构力学内容可以暂先让力学求解器代替求解,后期再补充学习。


11.矩形稳固性好像没有三角形的高,那矩形的作用是什么吗?

答:查阅问题9,矩形截面的稳定性差于三角形截面,但是可以通过加横隔板等方式解决这个问题,但是同等情况下选择矩形截面的抗扭惯性矩相对比三角形截面来得更优。


12.请问竹皮的性质是否能卷?

答:竹皮是可以做成卷杆的,但目前了解到的工艺较难做好卷杆,且卷件容易发生翘曲效应,主要因为竹皮入胶水会膨胀,因此目前长构件宜做成立杆加横隔板。

 

13.竹皮的力学性能怎么样?

答:竹皮是单一稳定材料,力学性能相对稳定很多,相比混凝土材料的力学性能会简易很多,具体的参数可以详见本系列的材料参数。下图实线为本系列的材料参数推荐的数据,而虚线则是构件压力试验的数据,材料和受潮、做工、批次都相关,以大赛官方数据为准,本系列数据仅供参考。

 

14.在设计的时候先理论,后实践还是先实践,后理论改进?

答:在理论足够扎实的情况下,还是先通过理论分析计算和设计,再进行实践操作,对模型制作。反正是没见过先去工地施工再让设计院补充计算书的。当然,如果理论水平基础支持不了队伍的实践操作,那只能采用笨办法通过实验进行反复修正竞赛模型。


15.除了力学求解器还有其他的软件可以用于力学结构计算呢?如何快速入手?

答:力学架构竞赛最好能学会CAD、力学求解器,如果水平想再上一个档次可以学习下Midas、SAP2000,毕竟力学求解器的计算方法有限(在力学求解器有的方法计算精度是可靠的),比如三维结构的屈曲分析等问题,还是需要借助Midas、SAP2000等本系列中提及的其他软件。如果还应用不到其他方法,那么力学求解器的方法和精度已经足够全面了。


16.理论计算和实际对比准确吗?

答:准不准要看使用理论分析的人,还有制作构件的人。首先在理论扎实的情况下,制作能保证构件自身没有质量问题,节点做法能得以保证的前提下,理论和实际的效果还是比较吻合的,下图虚线是测试的,红线是理论分析的,可以得到在50mm处结构迅速崩塌,而此时理论计算的结构也已经进入非线性状态,部分杆件也已经失效了,趋势和数值上还是挺吻合的。

 

17.请问用小刀划,在竹皮上适用吗?

答:美工刀适合,详情查阅本书第四章内容,制作工具的推荐。


18. 模型要力求稳还是轻重量?如何考虑?

答:在求稳的情况下尽可能保证结构轻量化,结构要有受力效率,但是不能一味太过激进,因为有时候破坏是不计分的了。可以在确定方案可行的情况下,通过理论分析或者试验迭代不断优化结构和选型,来达到结构轻量化效果,取得好成绩。


19.请问方案图要用CAD吗?计算书怎么做?

答:如果会CAD是最好的了,可以通过CAD进行绘制平面或者三维的模型,后期方便导入Midas软件做分析,详见附录D中Midas部分,但是不用Midas的话,用力学求解器也是可以的,那也可以通过手工绘制在草稿纸上,其实这只是一个工具,方案的选型比较重要。


20.请问杆件多好还是少好?

答:一般情况下,主要受力的杆件比较少会比较少,这样受力直接,对主要构件加强即可(一些防止屈曲失稳的拉带可不算主要受力构件)。


21.502在拼接时的用量多少会有影响么?

答:用量会有一定影响,本书第四章中已经考虑了502胶的性能,详情请翻阅第四章内容学习。当然,本书中书写是正常情况下,如果你是整罐整罐502胶非常见做法的涂抹,那要另当别论。


22.请问节点怎么拼?单纯靠502就可以?

答:详情可以查看本系列制作方法,可以将502胶和竹皮磨成粉末状混合使用,也可以用开花式对节点处理,详情参阅公众号中其他文章。


23.请问力架的模型主要先被破坏是节点?为什么?

答:不一定,可能是构件先破坏,如果是节点破坏的话,那明显未能做到强节点弱构件,节点先破坏会使得构件的承载能力还有较大富余,是不合理,有待优化的。


24.手工需要注意什么?

答:注意心灵手巧,切割尺寸精准,制作别走神,详情可以参阅本书的第六章。

 

25.可以做和前年参赛作品造型一样的?

答:可以,首先题目可能不同,再者但是没什么新意,如果是同样的题目或者思路,可以根据前年优秀作品,进行改进和升级。


26.请问承载能力能通过哪些方面增强?

答:首先构件的承载能力分为拉压弯剪扭,竹皮的性质比较抗拉和压,尽可能将结构转化为拉压形式,详情见本书第二张。也可以通过施加预应力的方式,虽然预应力无法为构件提高承载能力,但是预应力可以让结构减少挠度变形,使得结构不容易产生二阶力导致结构因进入几何非线性而破坏。


27.自己没有足够的创造能力和想象力,想按照赛题原模型进行手工制作可否?

答:可以锻炼下手工,比赛的时候能很快的下台领饭盒。所有还是不建议参照原题,除了天才外,没有人天生就结构感觉十足,需要不断学习和看书积累,腹有诗书气自华,看看本书还有本书中推荐的三本书,定有收获,那时候创造能力会变强很多。


28.力学求解器按平面去计算会影响模型的受力吗?也就空间结构转换成平面结构?

答:这样做没有问题,而且会给结构留出一些富余,但是关键是要学会利用结构力学对称性将结构做一定的简化。


29.杆件必须做成长方体那样子才牢固吗?

答:杆件截面做成哪种样子都可以,主要考察的是在荷载作用下截面各类抵抗矩是否能满足条件,如果满足力学条件,而且手工做法又比较简易,那肯定是可以的。当然,矩形截面的杆件截面综合条件和适应性在一般情况下会更好一些。


30.请问竹皮要几层粘起来不?以及怎么确定层数?

答:通常情况下,是需要粘起来的,为了确保各截面纤维能共同作用,并通过计算受力确定截面应力,通过截面应力大小来确定截面面积,再确定层数,这是最科学的办法!注意如果是受压构件的话,计算的受压应力不是强度应力,而是临界应力,具体可以参照本系列第五章。


31.胶水用量是否会影响杆件的性能,是否越多越好,是否更坚固?

答:胶水用量对于杆件性能有部分影响,胶水强度等物理性质在本书第四章中有描述,胶水的密度稍大,尽可能让胶水只做黏贴作用,层面中起抗剪作用,不要让它来抵抗其他广义力,效率不佳,因此胶水适量就好,过少会使得结构连接不牢靠,过多会使得结构重量过大

32.力的传递简单好还是复杂好?过于简单是否会影响承载力?

答:力的传递越简单越好,因为传力简单人为需要干涉的连接和节点处理就相对比较少,让材料自主发挥作用的能力就越大,因此结构更加简单能让传力更有效率,有效率也就相当于同等质量下能承受更大的承载力。


33.力学求解器的材料属性中的EI、EA可以设置为无穷大吗?

答:在你不知道结构模型的受力时,用力学求解器做这样的假定是不对的,填写的EI和EA都会影响整体结构的内力分配,导致计算错误,除非你清楚你的结构是几乎是剪切型变形。当然,即便真是完全剪切型变形也不推荐点选梁EI无穷大,柱EA无穷大,因为为了让计算模型更接近带有节点误差的实际模型,还是按实际算会精确一点。(详见本系列力学求解器用法)

正如下图这个结构,当均布荷载q和结构尺寸等都不变时,当结构的EI和EA有稍微变化时,弯矩图是不同的,它的弯矩会涉及刚度分配,刚度大的构件则受力很大,因此EI和EA要按实际(比例)填写。

34.设计模型时考虑的因素除了能符合赛题要求和受力传递,还需要考虑什么因素?

答:力学架构竞赛主要是考虑结构受力,不需要为美观做出很大代价,要考虑结构如何在承受题目所说的外来荷载的情况下,要更轻便,结构更有效率。主要的考虑还是外力的大小和结构抗力的大小,要保证结构抗力大于设计外力,并且质量能达到结构体系的最小。

 

35.竹皮能否代替一些受拉杆件,会减小承载能力吗?有较大的影响吗?

答:可以的,承载力是否减小和截面面积、节点搭接方式有关等有关,如果能确保杆件在偶然作用下能仍然能表现出受拉状态,则做成竹皮拉带来代替受拉杆件可能在质量优势是可行的。


36.桁架结构内构件可能发生受弯破坏吗?

答:这个问题有点尬,先回答答案:不会!桁架结构理论上构件是以铰接形式连接的,因此是没有弯矩传递的。而实践上,并无法做到理想铰接状态,虽然在非理想铰状态是可以传递弯矩的,但对比桁架杆件的拉压,几乎是微乎其微的,所以桁架结构是不会受弯破坏的。但值得注意的是,太长桁架杆件的受压也是需要考虑临界力,局部的桁架杆件失稳屈曲破坏,会使得整体结构内力重分布,几乎对结构是致命的,对于太长桁架构件,可以通过加侧向约束,减小桁架构件的计算长度。


37.力学求解器的材料属性中的EI、EA、GA可以设置为1吗?

答:见33题,首先如果你的结构不是超静定结构,而是静定结构,那么填多少都无所谓(力构一般都是超静定结构),如果你的结构是超静定结构,所有构件截面都长得一摸一样,而且不计算结构的位移量,只计算结构内力,那么此时所有构件的材料属性相比也是一样的,这时候所有构件才可以将EI、EA、GA设置为1,否则结果会失真。


38.如果有其他问题怎么办?

答:可以加 [QQ:641899194 ],一起讨论。

力学架构是一个体现 土建类学生 理论与实践 

完美结合的竞赛。

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