1、.1.2l总体设计思路总体设计思路l宏观展示宏观展示l受力分析受力分析l总结总结.3l设计目的设计目的 为了每次重要比赛都能顺利的进行，为了每次重要比赛都能顺利的进行，尤其是在全球直播比赛多多的今天，一尤其是在全球直播比赛多多的今天，一场大雨往往令全世界的人们失望场大雨往往令全世界的人们失望 。基于。基于这一思路，我们设计了这个这一思路，我们设计了这个活动的拱顶。活动的拱顶。详细内容详细内容.4l设计达到的目的设计达到的目的 晴天为观众遮阳晴天为观众遮阳 雨天为大家遮雨雨天为大家遮雨详细内容详细内容.5l总体构形总体构形 体育馆整体为半球和圆柱结合体。体育馆整体为半球和圆柱结合体。拱顶由拱顶由
2、十二条主桁架十二条主桁架组成，组成，其间采用其间采用拉膜结构拉膜结构 。详细内容详细内容.6十二条主桁架十二条主桁架：基本采用三角柱结构，其：基本采用三角柱结构，其中一条主梁为工字型（粗），二条辅梁中一条主梁为工字型（粗），二条辅梁（细）。（细）。主梁的形状为根部弧形，顶端直线形。主梁的形状为根部弧形，顶端直线形。主梁的顶端有一与球铰相连的凹槽。这主梁的顶端有一与球铰相连的凹槽。这一凹槽与其相邻的桁架的工字型主梁相一凹槽与其相邻的桁架的工字型主梁相连形成可滑动的结构。连形成可滑动的结构。详细内容详细内容.7l 拉膜结构：拉膜结构：与相邻的桁架主梁相连的折叠结构。与相邻的桁架主梁相连的折叠结构。
3、其根部有弹性链锁与墙体相连，使其其根部有弹性链锁与墙体相连，使其在移动过程中保持拉紧。在移动过程中保持拉紧。膜的一边固定在一主梁上，另一边在膜的一边固定在一主梁上，另一边在相邻主梁上滑动，其运动方式类相邻主梁上滑动，其运动方式类 升国旗的滑轮滑动。升国旗的滑轮滑动。详细内容详细内容.8l动态说明：动态说明：拱顶的开合采用旋转上升的原理。相拱顶的开合采用旋转上升的原理。相邻主桁架相互支撑，均匀受力。邻主桁架相互支撑，均匀受力。详细内容详细内容.9 这边日出这边日出 那边雨那边雨 .10 左是无晴 右有晴 .11v受力分析.12.13 .14.151基本长度参数基本长度参数主梁水平投影长度为主梁水
4、平投影长度为L，其中弧形部分投影长度为其中弧形部分投影长度为l；主梁往竖直方向投影为主梁往竖直方向投影为h；绳索传动系统中，滑轮绳索传动系统中，滑轮E直径为直径为r；.162基本角度参数基本角度参数主梁曲线对应圆心角为主梁曲线对应圆心角为，其中水平直杆部分对应圆心角为其中水平直杆部分对应圆心角为；相邻两主梁的夹角为相邻两主梁的夹角为，主梁与靠近墙体的球铰主梁与靠近墙体的球铰C导轨夹角为导轨夹角为；.173 基本物理量基本物理量可滑动端可滑动端D内（使用统一滚珠）各接触内（使用统一滚珠）各接触面的静摩擦因数面的静摩擦因数1j，动摩擦因数，动摩擦因数1d；主梁所在平面上，重力载荷为主梁所在平面上，
5、重力载荷为W，重心的坐标为重心的坐标为xc；风载简化为单个集中力后大小为风载简化为单个集中力后大小为Fw.18.191明确须求量明确须求量分析求解的目的是确定各约束点的分析求解的目的是确定各约束点的约束力、约束力偶和传动绳索提供拉力约束力、约束力偶和传动绳索提供拉力的大小，为内力分析和材料选择提供根的大小，为内力分析和材料选择提供根据；据；.201）明确约束点）明确约束点C为球铰（可沿轨自由滑动，可为球铰（可沿轨自由滑动，可拴紧）；拴紧）；A为活动柱铰；为活动柱铰；.21.22 .23 sincoscossin22fFFfFFtytx.24 力bFsincosAyAyFFbFAyFAxF.25
6、 sincoscossinBxByAyBxByAxMMMMMMAxMBxMByMAyM点B.263)绳索传动系统绳索传动系统 sFDsFsFErsFErFMsssEFF2.27sFsFsNF22sin2ssNFF.28 sFDrsFEsFsFsNF22sin2ssNFF.294)明确待定变量明确待定变量 利用各变量间已经有的关系式消去一定变量后，得：球铰C拴紧时：（是否考虑D在B点的摩擦力f1j视具体情况定）球铰C 可沿轨滑动时：sByBxCzCyCxAzAyAxFMMFFFFFF,sByBxCzCtAzAyAxFMMFfFfFFF,21.302明确分析状态明确分析状态 1）理想静态理想静态2
7、）无风约束静态无风约束静态（球铰C拴紧，绳索拉紧D）3）外风载下的约束静态外风载下的约束静态4）启动传动系统即结构开始闭合状态启动传动系统即结构开始闭合状态.31.32分析分析此时球铰此时球铰C拴紧，待定变量有拴紧，待定变量有 sByBxCzCyCxAzAyAxFMMFFFFFF,0sByBxCyCxAyAxFMMFFFFCzAzFF,.33求解求解，BzAzFFWFCz 0F 0M)()(cAzxLWlLFWlLxLFcAzWFCz.34.351.无风约束静态无风约束静态 jsByBxCzCyCxAzAyAxfFMMFFFFFF1,.36受力平衡受力平衡 即 即 即 01sNxCxjAxFF
8、fF0cos2sin21sCxjAxFFfF0bCyAyFFF0sin)cos1(AxCyAyFFFBzAzFF0sNzCzFWF0sin2sin2sCzFWF0cossin1jAxAysfFFF.37力偶平衡力偶平衡XY平面平面即即XZ平面平面即即YZ平面平面 0lFLFbAy0sin)cos(lFlLFAxAy0)()()(1sNsNzsNsNxcAzjAxBxAxxLFzFxLWlLFhfhFMM0sin2sin)(2cos2sin2)()()cos1(sin1sNssNscAzjAxBxByxLFzFxLWlLFhfhFMM0)cos1(sinhFMMCyByBx.38 01jf0By
9、M)sincos()(max111AxAyAzjbAzjjsFFFFFfF忽略相对小量：绳的拉力至少要超过B处最大静摩擦力，现取约束边界作简化：方程组的求解见.39 2风载下约束静态风载下约束静态jsByBxCzCyCxAzAyAxfFMMFFFFFF1,风的载荷简化为在风的载荷简化为在的方向上再加一个已知力的方向上再加一个已知力；其余假设同上时，得方程组其余假设同上时，得方程组sNFwF.40 0,0)sincos(0)cos1(sinsin)(cos)(sin2sin)(2cos2sin2)()cos1(sin0sin)cos(0cossinsinsin2sin20sin)cos1(cos
10、cos2sin21111ByjAxAyAzjsCyByBxsNwsNwcsNssNsAzjAxBxByAxAyAxAyswsCzAxCyAywsCxjAxMfFFFFhFMMxLFzFxLWxLFzFlLFhfhFMMlFlLFFFFFWFFFFFFFFfF.41.42球铰球铰C C 可沿轨滑动，可沿轨滑动，待定变量有待定变量有 sByBxCzCtAzAyAxFMMFfFfFFF,21.43受力平衡受力平衡X X方向方向 即即Y Y方向方向 即即Z Z方向方向 即即D上上 01sNxCxAxEFFfFF0)cos2sin1(2cossin21sCtAxFfFfF0bCyAyFFF0sinsin
11、cos)cos1(2AxCtAyFfFF0sNzCzFWF0sin2sin2sCzFWF0cossin1fFFFAxAys.44力偶平衡力偶平衡 XY平面平面 即即 XZ平面平面 即即 YZ平面平面即即 0sbAyMlFLF0sin)cos(rFlFlLFsAxAy0)()()(1sNsNzsNsNxcAzAxEBxAxxLFzFxLWlLFhfhFhFMM0sin2sin)(2cos2sin22)()()cos1(sin1sNssNsscAzAxBxByxLFzFhFxLWlLFhfhFMM0)cos1(sinhFMMCyByBx0sincos)cos1(sin2hfhFMMCtByBx.4
12、5物理方程物理方程 sincos)(11111AxdAydAzdbAzdFFFFFfsincos)(11111AxdAydAzdbAzdFFFFFf简化假设简化假设 0ByM忽略相对小量：.46.471.1.理想静态理想静态参数估计参数估计L=40ml=29.282mXc=26.027mW=100300KN.48130.4KNAzFKNFCz100KN1.913AzFKNFCz300结果结果W取取100KN时时 W取取300KN时时.492.2.无风约束静态无风约束静态 方程组用方程组用AF=B表示，其中表示，其中 01jf0ByM,sBxCzCyCxAzAyAxFMFFFFFFF.50100
13、00cossin0sin00000sin)(cos2sin2cos10000000000cossin100000sincossin2sin20100000000100cos1sincos2sin20001001111jjjsNsNhxLzlLhlLlA00)(0000cxLWWB.51参数估计参数估计?027.26,949.26,116.12,20,282.29,40386.572,10.12,13.53,63010000jcsNsNmxmxmzmhmlmL.52(运用MATLAB5.0数学计算软件编程求解)当当时时5.0,1501jKNW.71.8932KN,192.4448KN,71.89
14、30KN,N-169.2559K,0,0,m2875.7KN,268.3075KN,1437.9KN,m-2490KN,N-124.5211K,196.4145KN,196.4151KN1sCzCyCxByBxbAyAxAzAyAxFFFFfMMFmMMFFF.5305.0,1501jKNW当当时时.9.4379KN,155.5720KN,9.4379KN,-22.2194KN,0,0,m377.5154KN,35.2226KN,188.7577KN,mN-326.9380K,153.5357KN,25.7847KN,25.7848KN1sCzCyCxByBxbAyAxAzAyAxFFFFfM
15、MFmMMFFF.54当当时时005.0,1501jKNW.0.9743KN,150.5752KN,0.9743KN,-2.2937KN,0,0,m38.9704KN,3.6360KN,19.4852KN,m-33.7494KN191.2167,2.6617KN,2.6617KN1sCzCyCxByBxbAyAxAzAyAxFFFFfMMFmMMFFF.553.3.有风约束静态有风约束静态01jf0ByM方程组用方程组用AF=B表示，其中表示，其中,sBxCzCyCxAzAyAxFMFFFFFFF.5600sin)(cos)(00cos0cossNwsNwcwwxLFzFxLWFWFBA与无风
16、静态的相同与无风静态的相同.57参数估计参数估计005.0,150,30027.26,949.26,116.12,20,282.29,40386.572,10.12,13.53,63010000jwcsNsNKNWKNFmxmxmzmhmlmL.58结果结果.1.2186KN,166.8888KN,1.2186KN,13.3003KN,0,0,m48.7449KN,4.5479KN,24.3724KN,m-42.2143KN239.1772KN,3.3293KN,3.3293KN1sCzCyCxByBxbAyAxAzAyAxFFFFfMMFmMMFFF.594.4.结构开始闭合状态结构开始闭合
17、状态 0ByM方程组用方程组用AF=B表示，其中表示，其中,21sBxCzCtAzAyAxFMFfFfFFFF.600010000000001cossin0sin0sincos0000sin)(cos2sin22cos10000000000cossin1000010sincossin2sin201000000000sincos00cos1sin)cos2sin1(200cossin100122111dddddsNsNhhxLzhhlLhrlLlA000)(0000cxLWWB.61参数估计参数估计1.0,005.0,005.0027.26,949.26,116.12,20,282.29,403
18、86.572,10.12,13.53,30,6302100000rmxmxmzmhmlmLddcsNsN.62结果结果m0.1956KN1.9563KN,151.1550KN,0.7527KN,-0.6135KN,1.0437,0,m-36.3075KN,-3.3693KN,-18.1538KN,m31.4432KN212.1169KN,-2.4616KN,-2.4750KN21ssCzCtByBxbAyAxAzAyAxMFFfFfMMFmMMFFF.635.MATLAB5.MATLAB程序文件程序文件ju1.mju1.m无风约束静态无风约束静态ju2.mju2.m有风约束静态有风约束静态 j
19、u3.m结构开始闭合时结构开始闭合时.64.65l作为刚体进行整体受力分析作为刚体进行整体受力分析 l作为弹性体进行杆件内力分析作为弹性体进行杆件内力分析 l雨载时支架梁受力分析雨载时支架梁受力分析.66l作为刚体进行整体受力分析作为刚体进行整体受力分析 l作为弹性体进行杆件内力分析作为弹性体进行杆件内力分析 l雨载时支架梁受力分析雨载时支架梁受力分析.67 简化桁架结构的弧形梁为实心柱体简化桁架结构的弧形梁为实心柱体 水平直形此柱体重力集度为水平直形此柱体重力集度为 密度为密度为，截面积为，截面积为s支架梁总弧长为支架梁总弧长为 总重总重)(36.469273.050mRsW36.46.68
20、A Q D O Fy Fx B C O 图一图一.69由由 可得可得 （1）设其余各梁在端点处给予该支架梁的作用力为设其余各梁在端点处给予该支架梁的作用力为Q,方向如图一。方向如图一。0yF0WFysWFy36.46.70由由 可得可得 （2 2）由由 可得可得 （3 3）0 xF0 xFQ 0M0)sin2/sin40()30(RFRFyx.71 注：由几何知识，注：由几何知识，O为均质弧为均质弧AB重心，重心，故有故有 联立（联立（2）（）（3）可解的）可解的 sinRoo 2sinOODORDOsin2sinsQFx005.48.72 因为因为 所以所以 对任一点对任一点x处（角度为处（
21、角度为 ）有有 gdxsdx)(gscosdxdl.73x处分布力集度为处分布力集度为 剪切应力剪切应力 2250050cos)(xgsgsxq50arcsin50)()(xgsdxxqxFQ.74 弯矩为弯矩为)50250050arcsin(50)()(2xxxgsdxxFxMQ.75dx dl A x O 图二.76O Q 1 2 W B o 图三.77取如图两个控制面（取如图两个控制面（1）、（）、（2）如图三如图三控制面控制面1：取左半部分微元为研究对象，整体取左半部分微元为研究对象，整体平衡必有局部平衡，所以有平衡必有局部平衡，所以有 0NXFQ.78控制面控制面2：取左半部分为研究
22、对象取左半部分为研究对象剪切力剪切力 轴向力（水平）轴向力（水平）M=0 sWFQY36.460,0NXxFQFQFNX0,02MDOBCWACQM.7930 X O 图四.80支架梁在水平面上的投影如上，所画支架梁在水平面上的投影如上，所画区域即为该支架梁所承载的载荷区域即为该支架梁所承载的载荷 （假设每根梁的承受载荷的面积的一侧为（假设每根梁的承受载荷的面积的一侧为三十度）三十度）)23.(.502)230.(.32)(22RxRxGRxxGxq.81 注意：注意：G G为单位面积上所承受的雨点冲击为单位面积上所承受的雨点冲击载荷，上面式中载荷，上面式中R=40。综合考虑支架梁自重与其所承受雨量载综合考虑支架梁自重与其所承受雨量载荷，可有荷，可有 ).2332(12505050arcsin250043)230.(.3)()(2222GxxGxGRGRxxGdxxqxF)23(RxR)()()(xFxFxFQ.82纯重力致剪应力分布图为纯重力致剪应力分布图为 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9101020304050607080.83纯重力致弯矩分布图纯重力致弯矩分布图 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.7
