结构设计大赛计算书.docx

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结构设计大赛计算书

竹子公寓

第五届全国大学生结构设计大赛（校内）

第五参赛组

2011/9/21

学号电话

竹子公寓

（第五组作品）

（四川大学）

一结构选型

由于本次竞赛结构需承受地震作用，而框筒结构具有很好的减震效能的效果，并且加强了结构整体性，这在当今高层建筑结构体系中应用广泛。

考虑到本次竞赛加载评分中模型质量对结构得分很有影响，因此在保证结构稳定，满足承载要求的前提下，尽可能的节省材料给便显得尤为重要。

处于此考虑，我们摒弃了耗费材料的剪力墙结构，拟先采用通俗的框结构模拟指导。

二概念设计

考虑到此次比赛用材料为竹皮，存在竖向纹理，材料各向异性。

且厚度最后只有0.5mm，因此无论圆柱或者方形柱均需耗费较大的胶水，并存在施工难度大的问题，因此我们想到柱子采用4-角钢的形式。

很好的利用材料的纹理，提高了柱子的竖向承载力。

本次比赛需在楼层上加上铁块，因此核心筒的设计需要尽量减少对板面积的影响，考虑连接的方便，以及结构整体的协调，采用核心柱，与角柱对应，加强整体结构性的同时，使得结构外观更加协调。

结构截面形式如下图：

初步选型

就常规的框筒结构而言，其结构的设计的基本出发点在于柱、梁以及斜撑的连接组合设计与核心筒设计，因此针对设计要求对结构进行预设，并模拟优化显得十分必要，我们经讨论准备先从梁柱的设计和斜撑的布置着手，对下面的方案利用midas进行模拟分析，对比优化后得出最后方案。

设计方案一：

通过对本次荷载的初步估算，估计柱子的宽度先采用25mm*25mm的角钢柱，核心筒为圆形直径为20mm，壁厚5mm，柱子从基础顶面至地面为竖直，柱，核心筒均整体施工，以加强整体性，对抗震有利。

考虑到铁块加载以及顶部水箱，楼层高度设计为渐变式，从底层至上为280mm，250mm,240mm,230mm。

由于采用了角钢型柱子，梁柱的连接就大为方便，更简洁结实，因此采用材料较省，惯性矩较大很承受较大弯矩的T型梁，这样梁柱对接只需天然夹紧，涂以502速干胶便可。

斜撑采用Z字型，能加强柱与柱之间的连贯性。

通过midas模拟结构得出，核心筒的受力较小，柱子的承载能力能够很好的满足设计要求，存在材料的较大浪费，且圆形核心筒过大的占用了楼层面积，对铁块的布置影响很大。

Z型斜撑虽在受力上较好，但不能很好的控制层间位移，导致结构位移过大，模型刚度不够，对抗震很不利。

在此基础上，对一号方案的柱及核心筒大小做出改进，并对斜撑的模式进一步改进。

设计方案二：

在整体施工柱与核心筒的基础上，将柱子改成23mm*23mm的4-角钢柱，核心筒也采用20mm*20mm的同类型柱，这样对板的占用问题得到了很好的解决。

斜撑采用V型结构，对抗震效能很有效果，并且能控制好楼层位移。

经模拟计算发现，此结构的受力良好，材料均得到有效利用，层间位移也在可控范围之内。

在经反复模拟修改后确定斜撑以及边梁的数据，以达到合理利用材料的效果。

模型一模型二模型三（定型作品）

三计算设计

梁设计：

采用T型梁，梁由上部宽度为20mm，厚度为1.5mm，腹板高度为10mm，厚度为1.5.mm施工是采用三片竹片粘合而成，便于施工，更省材料。

柱设计：

采用4-角钢柱，考虑到粘胶厚度，厚度为1.5mm,23mm*23mm。

考

虑到柱子的扭矩，会适当加入些竹节结构。

核心柱设计：

采用与柱协调统一的4-角钢型柱，尺寸有所变化为20mm*20mm，厚度为1.5mm。

斜撑设计：

与柱协调连接性好的4-角钢型。

尺寸为15mm*15mm，厚度为1.5mm

四CAD施工图

1.单线几何尺寸图

正立面图背立面图

2平面布置图

楼板平面图

3立面构件图及截面图

整体正立面构件布置图整体背立面构件布置图

4节点构造大样图

5铁块分布详图

五效果图

透视图俯视图

六材料表

材料性能表

竹材厚度

弹性模量（MPa）

阻尼比

抗拉强度（MPa）

容重（

）

0.5mm

10000

0.01

60

9.824e-006

0.35mm

10000

0.01

60

9.210e-006

0.2mm

10000

0.01

60

8.934e-006

材料耗用表

名称

数量

备注

0.5mm厚竹皮

3

0.35mm厚竹皮

1

0.2mm厚竹皮

1

502胶水

9

七手算计算书

1、结构基本性质

严格依据第五届全国大学生结构设计大赛要求而创作，本结构形式独特，极具创新，四层框架结构，内设核心柱，各构件采用十字形截面，充分利用竹材复合板的性能，设计合理，别具风格！

模型每层放置12个小铁块，共计79.38N.其顶部水箱放水约15cm，加上水箱自重，总计24.5N.

抗震计算时，模型按层质量分别近似集中在28cm、52cm、76cm、100cm处。

2、荷载计算

其中：

荷载代表值=1.2×荷载标准值

3、梁、柱线刚度计算

G1

G2

G3

G4

G5（水箱）

∑G

荷载标准值

80.6185

81.1285

81.1285

1.7485

24.5

269.1240

荷载代表值

96.7422

97.3542

97.3542

2.0982

29.4

322.9488

（1）、梁线刚度计算

L&H（㎜）

Ib&Ic（㎜4）

Eb&Ec（Mpa）

边跨梁

190

637.2443

1×104

中跨梁

134.25

首层

2—4层

669.3607

核心柱

260

240

边柱

260

240

1305.4940

边跨梁Kb1=EbIb/l=（1×104×637.2443）/（190）=33.5392N·m

中跨梁Kb2=EbIb/l

柱Kc=EcIc/h

边跨梁（N·m）

中跨梁（N·m）

kb

33.5392

47.4316

（2）、柱线刚度计算

首层柱（N·m）

其他层柱（N·m）

边柱

核心柱

边柱

核心柱

kc

50.2113

25.7446

54.3955

27.8900

（3）、柱侧移刚度D计算

其他层柱

D

K=∑Kb/2Kc

α=K/（2+K）

D=12αKc/h2（N/m）

中柱（1根）

3.4013

0.6297

3658.9356

边柱（4根）

0.6166

0.2356

2669.9125

首层柱

D

K

α

D（N/m）

中柱（1根）

3.6848

0.7361

3364.0118

柱（4根）

0.6680

0.4378

3902.2200

首层∑D=3364.0118+4×3902.2200=189729N/m

2-4层∑D=3658.9356+4×2669.9125=143386N/m

4、框架自震周期计算

层次

楼层重力荷载Gi/N

楼层剪力Vi/N

楼间侧移刚度Di/N/mm

层间侧移

δi/mm

楼间侧移△i/㎜

4+水箱

31.4982

341.4982

14338.6

2.1967

43.9828

3

97.3542

128.8524

14338.6

8.9864

41.7841

2

97.3542

226.2066

14338.6

15.7761

32.7977

1

96.7422

322.9488

18972.9

17.0216

17.0216

顶点位移法计算特征周期：

T1=

1.7×0.6×0.04398081/2=0.2139s

取αmax=kBmax=2.5

由时程曲线得Tg=0.3s

由底部剪力法可得FEK=αGeg=0.25×0.853×2.9488=68.6266N

5、多遇水平地震作用标准值和位移计算

层次

Gi/N

Hi/mm

GiHi/N·m

∑GiHi/N·m

Fi/N

Vi/N

∑/DN/m

△μc/mm

5

29.4

257

7.558

79.9424

6.4863

19.4589

4

2.0982

240

0.5036

0.4323

6.9186

143386

0.4825

3

97.3542

240

23.365

20.0577

26.9763

143386

1.8814

2

97.3542

240

23.365

20.0577

47.6340

143386

3.3221

1

96.7422

280

25.153

21.5926

68.6266

189729

3.6171

层间位移计算：

首层△μc/h=3.6171/280=13/1000

二层△μc/h=3.3221/240=14/1000

层间位移均满足在150/~50/h区间中

6、框架地震内力计算

柱

层

h/mm

Vi/N

∑D/N/m

D/N/m

D/∑D

Vik/N

K

y0/mm

M下/N·mm

M上/N·mm

边柱

4

240

6.9186

14338.6

2669.9125

0.1860

1.2869

0.6166

0.35

108.1000

200.7564

3

240

26.9763

14338.6

2669.9125

0.1860

5.0176

0.6166

0.4

481.6896

722.5344

2

240

47.6340

14338.6

2669.9125

0.1860

8.8599

0.6166

0.5

1063.1880

1063.188

1

280

68.6266

18972.9

3902.2200

0.2057

14.1165

0.6680

0.7

2569.2000

1101.087

中柱

4

240

6.9186

14338.6

3658.9356

0.2552

11.7656

3.4013

0.45

190.6848

233.0592

3

240

26.9763

14338.6

3658.9356

0.2552

6.8844

3.4013

0.5

826.1280

826.1280

2

240

47.6340

14338.6

3658.9356

0.2552

12.1562

3.4013

0.5

1458.7440

1458.744

1

280

68.6266

18972.9

3364.0118

0.1773

12.1675

3.6848

0.55

1739.9525

1423.5975

由以上计算可得出，此结构的承载能满足要求。