全国结构设计大赛计算书完整版.docx
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全国结构设计大赛计算书完整版
全国大学生结构
设计大赛计算书
作品名称：
参赛学校：
参赛队员：
专业名称：
指导教师：
全国大学生结构设计竞赛组委会
第1部分设计说明书.....................................2
1.1结构选型.............................................2
1.2特色说明.............................................3
第2部分设计方案图.....................................4
2.1结构总装配图.........................................4
2.2构件详图.............................................5
2.3节点详图.............................................6
2.4方案效果.............................................7
2.5铁块分布.............................................7
第3部分设计计算书....................................10
3.1计算模型............................................10
3.2结构计算假定及材料特性..............................10
3.2.1计算假定........................................10
3.2.3构件截面尺寸....................................11
3.2.4材料力学性能....................................11
3.3结构动力分析........................................12
3.3.1计算模型建模....................................12
3.3.2模态分析.......................................12
3.3.3时程分析.......................................14
3.4结构极限承载力计算...................................16
3.5计算结论............................................18
参考文献................................................20
第1部分设计说明书
··1.1结构选型
根据本次竞赛要求，该竹制结构模型需要经受三次不同强度大小的地震考验，分别以不发生破坏、不发生梁柱等主要构件破坏和不坍塌为评判标准，并不参考结构在地震效应作用下的侧移反应。
因此不必选用抗侧刚度较大的结构体系，从而达到节省材料、减小地震时地震力的作用；
由于比赛规则限制，上层部分的平面内部竖向构件到底层时无法落地，造成竖向抗侧力构件不连续，因此不利于结构选用核心筒等抗侧力结构体系；
综上，将该结构模型的结构形式定为框架结构。
由于模型加载时采用的铁块为长方体，且屋面水箱底部为正方形。
为方便加载，将模型的各层平面设计为正方形。
同时，为减小结构在地震作用下产生扭转作用，将竖向构件分别布置在四个角点，使其沿平面主轴对称。
各竖向构件底部间距均取规则所允许的最大间距，使结构的高宽比达到最小，最大程度减小了地震引起结构的倾覆作用。
按照结构在地震作用下的剪力与弯矩上小下大的基本分布规律，将模型的平面尺寸依次减小，使结构竖向刚度从上到下均匀增大，使模型外形更接近于弯矩的分布，使各杆件内力分布更合理。
历经各种困难，我们最终完成了这座竹质多层房屋结构的设计和制作，心中充满了喜悦和激动，看见造型别致简洁的结构屹立而起，犹如承载着我们的热情和朝气，昭示着“在追求真理的路上，我们艰辛而愉悦，我们虔诚而专注，我们疲惫而执着”，更见证着我们所有为之付出辛勤汗水的老师和学生的深厚情谊，故将其唤作“筑梦塔”。
1.2特色说明
本模型设计的特色有以下五个方面：
（1）构件加固设计加工精细合理构件加固设计采用宽为
4mm的小圆环在柱子薄弱环节加固，犹如一个个戒指一样，牢牢环箍住柱子，加工细致，表面采用砂纸打磨，光滑质轻，在较小增加模型质量的基础上起到了很好的加固作用，同时使得柱子形状精细别致。
（2）空间框架结构体系简明采用空间框架结构体系，结构布置简明，荷载传递路径清晰，各杆件受力合理，充分利用了木材的力学性能。
（3）棱台形式对称美观采用棱台形式，结构形式对称美观，使斜柱的布置方向与其受力方向接近一致，有效地减小了构件上所受的弯矩及侧向变形，更好地满足了结构的抗震要求，另外，使结构在X、Y轴两个方向抗震效果一样，避免的某一侧失稳。
（4）柱子内部局部加强处理在柱子内部插入长度1mm的竹制圆管，底层间距6mm，其它层间距10mm，这样整个1m长的柱子犹如还原回了天然竹竿的样子，既增强了柱子的承压能力，又尽可能的避免了柱子在抗震时发生局部失稳破坏。
（5）箱型梁内部加强处理在梁的中心镶入大小合适的竹片，保证的梁的承压能力和抗弯能力。
在梁与柱的节点连接处，梁端填充了相似的竹片，既增加了梁自身的强度，又整体提高了模型的刚度，能有效传递和分配结构上部传来的荷载，并且能较好限制结构位移，增强结构的空间整体性。
第2部分设计方案图
2.1结构总装配图
图1方案透视图
图2方案仰视图
图3方案侧视图
2.2构件详图
梁的端部剪开15mm
图4柱子详图图5梁的详图
2.3节点详图
图5顶层节点连接图图6中间层节点连接图梁柱节点连接处，为了保证竖向构件的连续性和整体性，不对柱
子进行剪切处理，而是将梁的端部沿折痕剪开，张开的竹片用502胶粘接在柱子上，然后用砂纸打磨，光滑连接，美观牢固。
图7柱脚处节点处理
柱脚剪开2cm，但是为了防止柱脚沿见开出裂开，在柱脚底部镶嵌1cm长的圆柱进行底部加强，然后粘接在地板上。
2.4方案效果
图8方案效果图
2.5铁块分布
由于振动台面最大加载质量限制为30kg，为使结构在地震作用下受力更为合理，将铁块质量从底层到上层依次减小，降低了结构的重心，减小了地震剪力。
铁块具体分布见图：
图9大铁块示意图图10小铁块示意图
（1）四层铁块分两层叠放，分布图如下：
四层下四层上图11四层楼面铁块示意图
四层铁块质量：
1.8×2+0.675×4=6.3kg
四层有效面积：
12×3.2×2+6×3.2=96cm2
（2）三层铁块分两层叠放，分布图如下：
三层下三层上
图12三层楼面加载示意图三层铁块质量：
1.8×4+0.675×2=8.55kg三层有效面积：
12×6×3=216cm2
（3）二层铁块分两层叠放，分布图如下：
二层下二层上图13二层楼面加载示意图
二层铁块质量：
1.8×5+0.675×4=11.7kg
二层有效面积：
12×6×4+12×3.2+6×3.2=345.6cm2综上，模型铁块质量合计：
6.3+8.55+11.7=26.55kg，有效承载面积总和：
96+216+345.6=657.6cm2，满足比赛要求。
第3部分设计计算书
3.1计算模型
图14模型计算简图
梁柱节点为刚性连接，柱脚固定粘结在底板上，计算时可看为固端连接。
3.2结构计算假定及材料特性
3.2.1计算假定
（1）模型构件均采用比赛所提供的竹皮制作的闭口薄壁截面杆件，均有一定范围区域经过搭接粘结，计算时不考虑该部分影响，将构件
作为等厚度闭口薄壁截面进行计算；
（2）柱脚与底板连接处，采用加强措施进行连接，在约束平动的基础上一定程度限制了其自由转动，计算时按刚接考虑；
（3）梁柱节点处采用，502胶水进行粘接，几乎不可转动，在计算时按照刚接进行考虑；
（4）各层楼面上的铁块简化为均布质量施加于楼板上；
（5）屋面水箱在振动过程中，所盛液体可产生晃动效应，对于整体结构自振周期等动力特性会产生影响，比赛中规则限制最少盛水量约占总模型总质量的1/10左右，相对水的质量所占结构总质量比例较大。
参考尚春雨等《考虑水晃动作用时椭球形水塔的地震反应分析》一文中结论，“水体所占结构重量较多时，水的晃动作用对结构的地震反应影响较大，应考虑其对结构的有利作用”。
在结构模型计算时可将水箱中水的质量转化成楼面的均布荷载进行计算，这样可以简化计算并且保证计算结果偏于安全。
3.2.3构件截面尺寸
（1）竖向柱子：
管状截面，直径为12mm，壁厚为0.35mm；
（2）梁：
箱型截面，截面5mm×15mm，壁厚为0.35mm；
3.2.4材料力学性能竹材是一种常用建筑材料，广泛应用于建筑行业的各个领域，
其顺纹与逆纹性能差异较大，各向异性显著。
竹材力学性能参考值：
弹性模量1.0×104MPa，抗拉强度60MPa。
3.3结构动力分析
3.3.1计算模型建模
使用SAP2000有限元分析软件建模，按实际尺寸赋予其截面属性。
材料按照大赛给定竹皮材性进行定义，弹性模量为1.0×104MPa，泊松比按照木材进行定义为0.3，由于模型自重很小，密度定义为0，不考虑其温度膨胀系数。
3.3.2模态分析为了解结构模型的基本性能，对模型进行了模态分析，使用特征
向量法，提取了模型的前9阶振型。
由于地震为水平向施加，竖向地震响应几乎为零，故忽略UZ方向的质量参与系数，具体值见下表。
表1模态分析
振型编号
周期/s
自振频率/Hz
UX质
量参
与系
数
UY质
量参
与系
数
RX质
量参
与系
数
RY质
量参
与系
数
RZ质
量参
与系
数
1
0.604725
1.6536
0.86
0.86
0.75
0.19
0
2
0.604725
1.6536
0.86
0.86
0.75
0.19
0
3
0.515788
1.9388
0.86
0.86
0
0
0.4
4
0.24026
4.1622
0.97
0.86
0
0
0
5
0.24026
4.1622
0.97
0.97
0.01
0
0
6
0.207112
4.8283
0.97
0.97
0
0
0.14
7
0.154065
6.4908
0.99
0.98
0
0
0
8
0.154065
6.4908
1
1
0
0
0
9
0.136008
7.3525
1
1
0
0
0.8
由表1可知前两阶振型均为平动，第三阶略带扭转，造成此原因
的主要问题是在结构外围缺少抗扭构件。
但由于比赛时施加单向加载，经试验证明，模型在地震作用下主要发生模型的平动响应，因此可着
重考虑前两阶振型。
高阶振型中大部分以平动为主，故该模型设计合
理。
前9阶振型图见图15-图18。
图15一阶振型图16二阶振型图17三阶振型
图18四阶振型图19五阶振型图20六阶振型
图21七阶振型图22八阶振型图23九阶振型
3.3.3时程分析
由于比赛材料均选用竹制材料，材料的破坏形式均为脆性破坏，因此对结构只进行弹性的动力时程分析。
地震波输入按照大赛给定的三级汶川波进行计算，对动力作用下的位移值以及层间位移进行参考，判断其变形情况。
并且对第三级峰值加速度为1.13g的地震作用下，结构的最大第一主应力进行计算，对结构的安全性进行判定。
时程分析时采用线性直接积分方法计算，时间积分参数选用HHT方法，将alpha设为0，以便得到最高精度解答。
阻尼比按照2%进行计算，三级加载均按200步求解。
由于输入波函数的采样频率不同，因此计算时段大小也应有所区别。
第一级加载时，输入时段大小为
0.2s，第二级加载时，输入时段大小为0.16s，第三级加载时，输入时段大小为0.132s。
输出三级地震作用下顶点位移，其时程曲线如下图所示：
图24第一级地震作用下顶点位移图25第二级地震作用下顶点位移
图26第三级地震作用下顶点位移
查看历程动画以及查看计算变形图，三种工况下结构响应均未发生扭转变形，可见结构刚度在平面上分布合理。
第一级地震作用第二级地震作用第三级地震作用图27地震作用下变形位移图
第一级地震作用下，顶点最大位移值为28.93mm；第二级地震
作用下，顶点最大位移值为25.08mm；第二级地震作用下，顶点最大
位移值为34.32mm。
提取最大位移反应时各层位移如下表：
楼层
1F
2F
3F
4F
最大层间位移角
第一级
-6.01127
2.944592
21.42458
28.93066
7.33%
第二级
-9.5531
-0.72425
17.73183
25.07806
7.38%
第三级
-3.57925
11.36147
28.93464
34.31616
7.03%
最大层间位移角基本在7%左右，均发生在第三层间，底层层间
位移角最小，大致在2%左右，主要是考虑了底层在地震作用下受剪力、弯矩、轴力作用较大，由于制作材料限制在加强其截面强度的同时增加了刚度。
其余层间位移角基本为5%左右，可见结构刚度沿纵向分布较为合理。
计算所得最大位移与实际试验时位移值基本相符。
3.4结构极限承载力计算对第三级地震作用下验算结构的极限承载力，保证各构件在地震
作用下不发成强度破坏。
由于模型中板采用0.35mm厚竹皮制作，平面外刚度几乎为零，仅受拉力作用，对结构整体作用微弱，在整个加载过程主要将重力荷载传递到梁上，因此不对板进行极限承载力计算。
在第三级地震作用下结构的梁柱体系在时程分析中多值范围中的弯矩图、剪力图、轴力图如下：
图28弯矩图图29剪力图图30轴力图
由图可见，底层柱脚的弯矩、剪力、轴力均为最大值，弯矩最大值为2979N·mm，剪力最大值为22.38N，轴力最大值为90N，构件处于复合受力状态。
结构构件受横向力、轴向力和剪力的共同作用，杆将发生组合变形。
可先计算由横向力和轴向力引起的杆横截面上的正应力，按叠加原理求代数和，即得在拉伸和弯曲组合变形下，杆横截面上的正应力。
然后单独考虑剪力引起的切应力，从而求出最大主应力。
截面为管状截面，其截面参数：
R=11mm
A=13.32mm2
W=227mm3
2011年第五届全国结构设计竞赛
第17
图31页
与轴力Fn相应的拉伸正应力t在该截面上均匀分布，其值为
Fn905.61Mpa
tA16.05
而与Mmax相应的最大弯曲正应力σb，发生在该截面的边缘处，其绝
对值为
Mmax
297913.1
b
W
227
Mpa
显然，杆件的最大正应力是危险截面下边缘各点处的拉应力，其值为
t，max
Fn+
A
Mmax
W
tb18.71Mpa
另外，假定剪力均匀分布，在构件低端的最大剪应力为最危险界面的
应力，其值为
Ft
22.381.39
t，max
A16.05
Mpa
则根据应力状态和强度理论，则第一主应力为
1
+）+1（
）24
21
+0）+1（
0）242
18.81Mpa
1（xy
22
xyx
（t,max
2
2t,maxt,max
材料属性中竹皮极限强度为60Mpa，故所计算得第一主应力远小于材料极限强度，因此结构在第三级地震作用下安全。
3.5计算结论根据以上计算，本方案使用框架体系的竹制结构，使用sap2000
有限元计算软件进行了结构的模态分析和三种工况下的地震时程计
算，得出以下结论：
（1）对模型前9阶振型及其质量参与系数进行比较，得出结构主要以平动为主要振型，产生扭转效应的可能性不大。
（2）查看了各工况下结构的变形图和变形动画，均发生UX方向的平动振动，表明结构刚度在平面上分布合理；对各工况下每层位移及最大位移角进行了分析，结构上下层位移角最大值差异不大，表明结构竖向刚度分布合理。
（3）使用分析软件计算出第三级地震作用下的内力包络图，再根据材料力学公式对其控制截面进行了强度验算。
（4）结果表明该结构能够承受住峰值加速度为1.13g的地震波考验，在地震作用下结构表现良好。
参考文献
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[7]力与理论力学[M]，杨维紘，科学出版社.[8]建筑设计方法[M],黎志涛，中国建筑工业出版社.[9]粘弹性阻尼减震结构设计[M],周云，武汉理工大学出版社.[10]结构力学[M],章监才，曾又林，武汉大学出版社.
[11]考虑水晃动作用时椭球形水塔的地震反应分析[J],尚春雨，工程振动与冲击.
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