工程力学论文

1. 工程力学论文 学生区多层自行车棚的设计

2. 论文摘要: • 本文设计了一种可以和宿舍楼有机结合的新的自行车棚，并对其基本构件进行了简化计算。 关键字: 多层 自行车棚

3. 构思背景: • 在清华的校园里，自行车也是学生学习工作生活中必不可少的工具。但是由于清华校园里人多车多，各个宿舍楼门前的自行车摆放问题也日渐突出，我们时常看到宿舍楼门前的自行车摆放杂乱无章，给大家带来的极大的不便。我们结合了所学的工程力学的知识，构思了一个新的自行车摆放方案：将自行车的摆放与宿舍楼的构造有机的结合到一起，不仅能够节省楼外的土地资源，也能极大的方便学生的出行。

4. 功能分析: 由于各个宿舍楼的具体构造不尽相同，我们现在仅以学生宿舍5、6号楼为例，进行分析。 我们根据5、6号楼的具体构造，考虑到其相对的位置，设计了一个通道式的自行车棚，既能够连接起两个楼又能够充分利用其衔接部，合理地存放学生的自行车。 点击这里观看动画

5. 自行车棚俯视简图

6. 自行车棚的构造与受力分析 各楼层的承重结构体系都是由若干个结构构件连接而成的，从中可以概括出以下几种基本构件：板、次梁、主梁、柱、墙。 各构件与荷载之间的关系为：板承受活荷载（这里指各楼层上所停放的自行车和人的质量）及自重，次梁承受板的质量及自重，主梁承受次梁质量及自重，柱承受主梁和部分次梁的质量。经过简化以后，2、3、4每层楼的板、次梁、主梁受力都一样，而柱和墙的受力则不尽相同。我们这里只就其中一楼层对板、次梁、主梁进行分析。

7. 自行车棚的构造

8. 自行车棚仰视简图

9. 1.板的简化及计算： 板的受力分析： • 板的受力可以简化为受均匀载荷的剪支梁 • 每辆自行车质量按25kg计算，人和随身携带物品质量按75kg计算，自行车占地2m×0.4m，所以活载荷面密度 ,可以求出。 考虑到安全因素取 q=1.5kN/m • 为简化计算,把载荷简化为均布载荷，线密度q=1.5kN/m

10. 板的跨度为2.5m，根据土木建筑基本要求，板的厚度和跨度之间有关系 厚度>跨度/40 所以厚度 h>2.5/40=62.5mm 故选用80mm厚的板，线密度 q=2kN/m 其他载荷如面层抹灰等线密度 q=1kN/m 所以，板承受的总共载荷线密度 q=4.5kN/m

11. 板的受力分析: • 把板简化为简支梁，其长度l=2.5m; • 约束反力,剪力,弯矩挠度转角和应力的计算 详见word文档. • 右面3图分别为受力图,剪力图和弯矩图

12. 2.次梁的简化及计算 : 次梁的长度 其物理量的计算: 约束反力,剪力,弯矩等见word 文档. 计算时要考虑考虑到梁的自重和粉刷后附加的质量,包括次梁载荷与附加载荷.

13. 3.主梁的简化及计算 • 主梁受力情况可简化为下图模型： • 每层各有5根主梁，因此每根主梁的尺寸为： • 主梁自重视为均布载荷

14. 粉刷后附加的均布载荷: • 主梁承受的总均布载荷: • 次梁对主梁的作用F=18.3225kN • 现将主梁所受的各种力分别计算如下： • 约束反力:

15. 主梁的剪力和弯矩的计算过程详见word文档. 要说明的是, 弯矩在其中点处有最大值 .

16. 在主梁上分别受集中载荷和和均布载荷,这两种载荷的叠加的最大值均在中点取得,详细计算见word文档.在主梁上分别受集中载荷和和均布载荷,这两种载荷的叠加的最大值均在中点取得,详细计算见word文档. 有关转角和应力的计算也在word文档中. 通过计算表明,切应力远远小于正应力.

17. 4．柱的简化及计算 由于墙和柱的载荷要通过层与层之间依次传下来，所以从上到下每一层的墙和柱受力依次增大。第二层以上每层柱的载荷依次减少，但受力情况是相同的。 现只计算受力最大的第二层柱子的情况： 实践证明，长柱在轴力作用下有三种平衡状态： 1．稳定平衡：去掉压力能回复到原来的位置； 2．随遇平衡：去掉压力停留在新的位置； 3．不稳定平衡：去掉压力后，继续变形，弯曲得更严重，以致不能支撑所加的载荷而突然折断

18. 随遇平衡只有在轴心压力恰好等于临界压力时才出现，具体设计中应将临界压力作为长柱的最大承载力。随遇平衡只有在轴心压力恰好等于临界压力时才出现，具体设计中应将临界压力作为长柱的最大承载力。 作为简化，在分析柱子受力的时候不考虑柱子自身的重量，并假设长柱为两端铰支的轴心受压柱（不考虑自重） 受压柱采用圆柱型,考虑到其自重,以及二、三、四层的受力，只有顶层较为特殊，没有自行车，行人等活载荷，但需考虑雨雪天气后雨雪对其施加的作用力，可以认为这样产生的活载荷为其板、次梁、主梁的规格都令其与第二、三层相同，经过与上述计算方法相同的计算，可得顶层各部分的受力在word文档中有表格显示.

19. 第二、三、四层的柱子的受力是逐层递减的 ,三层受力的轴力分布图如下:

20. A B C D 9m E 门 F G 2.5m 2m 25m 图一 5.墙的简化和计算: • 考虑一下两面墙的受力，一是与电梯出来的通道相连的（如下图一），另一则是与之相对的（如图二）。前者有门，后者有窗，两者的简化模型基本相似，现仅列出前者的计算。 • 墙的厚度为200mm，采用C30混凝土

21. 在竖直方向上只承受墙自重和每层次梁给予的压力,各点的轴力的计算见word文档.在竖直方向上只承受墙自重和每层次梁给予的压力,各点的轴力的计算见word文档. 考虑风载荷与地震，因为此建筑楼层不多，且门窗面积与整体面积相比可忽略,所以可假设水平载荷为均布载荷。经查，水平面载荷定为 A B C D E F G 窗 图二

22. 6．底层结构的简化及计算 • 由于底层的结构与2、3、4层的结构略有不同，现将底层结构受力计算如下： • 采用板、主梁、柱结构，如下

23. 1）板的计算： 选用四块规格为 的实心板。板的跨度为5.25米,再加上面层、抹灰等，可认为此板承受的恒载荷为 .活载荷为自行车和行人，所以此板承受的总载荷为 . 2）主梁的计算： 六根主梁采用相同的规格,横截面均为 , 长均为12.5m。主梁1与主梁3的受力情况相同，都承受了墙和板的压力，受力图如下所示:

24. 主梁1和主梁3的受力图

25. 主梁2的受力图

26. 3)柱子的计算 柱1和柱3的受力情况相同,分别受到两根主梁1(或主梁3)的压力,柱2受到两根主梁2的约束力 ,三根柱子均采用相同规格的圆柱子，暂定直径为0.5m。则检验时只需考虑柱1（或柱3），由欧拉公式，可得临界载荷,具体计算见word 文档. 最后经过计算可以得到这三根柱子是稳定的平衡构型。

27. 7．通道部分的简化与计算： 考虑到电梯及通道部分的相对独立性，把它设计成相对与主体部分的独立组件，这样便于改装。图为通道的俯视图，将其简化为梯形，如图 通道俯视图 通道简化俯视图

28. 现采用厚度为0.2m的板,各种载荷包括自重以及抹灰面层等重量,查均布活载荷表 ,可以求出活载荷总重 ,先将起转化为线性载荷:

29. 经过计算可以得到通道的最大转角和最大挠度:经过计算可以得到通道的最大转角和最大挠度:

31. 全文小结: • 以上就是我们所设计的多层自行车棚的主要构件的简化及主要计算过程。期间经过我们小组全体成员的多次集体讨论和修改，最终形成了这篇论文。在创作这篇论文的过程中，我们收益颇多，主要有以下几点体会： 第一，为了写这篇论文，我们自学了钢筋混凝土房屋构造及其它基本构件的设计等方面的内容，而这恰是我们下学期要学的一门课程，因此这次的自学对今后的学习有较大的帮助。

32. 第二，这次论文可以说是我们发现身边存在的一些问题，并运用工程力学方面的知识加以解决的一次实践，是对我们自身所学知识和能力的检验和肯定。第二，这次论文可以说是我们发现身边存在的一些问题，并运用工程力学方面的知识加以解决的一次实践，是对我们自身所学知识和能力的检验和肯定。 第三，由于知识的不足和时间的仓促，我们可以说是把构件简化成了最简单、最基本的模型，这样我们所得出的结论和计算结果与复杂的实际问题肯定有不符合之处,这更令我们觉得要学的知识还很多，需再接再厉。 第四，在我们的模型中采用了电梯，这运用在四、五层的楼房建筑中，经济效益不高，若在十几层的建筑中采用该模型，则经济效益较好。

33. 参考文献： • 1.梁兴文等编 《钢筋混凝土结构设计》 科学技术文献出版社 1999年3月第一版 • 2.庄崖屏等编 《钢筋混凝土基本构件设计》 地震出版社 1993年2月第2版 • 3.同济大学五七公社编 《房屋结构基本构件》 上海人民出版社 1977年6月第一版 • 4.黄兴棣主编 《钢筋混凝土房屋结构设计与实例》 上海科学技术出版社 1994年4月第一版