第十届全国大学生结构设计竞赛赛题.docx
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第十届全国大学生结构设计竞赛赛题
第十届全国大学生结构设计竞赛赛题
大跨度屋盖结构
1
赛题背景
随着国民经济的高速发展和综合国力的提高,我国大跨度结构的技术水平也得到了长足的进步,正在赶超国际先进水平。
改革开放以来,大跨度结构的社会需求和工程应用逐年增加,在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、铁路旅客站及各类工业厂房等建筑中得到了广泛的应用。
借北京成功举办2008奥运会、申办2022冬奥会等国家重大活动的契机,我国已经或即将建成一大批高标准、高规格的体育场馆、会议展览馆、机场航站楼等社会公共建筑,这给我国大跨度结构的进一步发展带来了良好的契机,同时也对我国大跨度结构技术水平提出了更高的要求。
2
总体模型
总体模型由承台板、支承结构、屋盖三部分组成(图-1)。
图-1模型三维透视示意简图
2.1承台板
承台板采用优质竹集成板材,标准尺寸1200mm×800mm,厚度16mm,柱底平面轴网尺寸为900mm×600mm,板面刻设各限定尺寸的界限:
(1)内框线:
平面净尺寸界限,850mm×550mm;
(2)中框线:
柱底平面轴网(屋盖最小边界投影)尺寸,900mm×600mm;
(3)外框线:
屋盖最大边界投影尺寸,1050mm×750mm。
承台板板面标高定义为±0.00。
图-2承台板平面尺寸图
2.2支承结构
仅允许在4个柱位处设柱(图-2中阴影区域),其余位置不得设柱。
柱的任何部分(包括柱脚、肋等)必须在平面净尺寸(850mm×550mm)之外,且满足空间检测要求。
(即要求柱设置于四角175mm×125mm范围内。
)
柱顶标高不超过+0.425(允许误差+5mm),柱轴线间范围内+0.300标高以下不能设置支撑,柱脚与承台板的连接采用胶水粘结。
2.3屋盖结构
屋盖结构的具体形式不限,屋盖结构的总高度不大于125mm(允许误差+5mm),即其最低处标高不得低于0.300m,最高处标高不超过0.425m(允许误差+5mm)。
平面净尺寸范围(850mm×550mm)内屋盖净空不低于300mm,屋盖结构覆盖面积(水平投影面积)不小于900×600mm,也不大于1050×750mm,见图-3。
不需制作屋面。
屋盖结构覆盖面积(水平投影面积)不小于900×600mm,也不大于1050×750mm。
但不限定屋盖平面尺寸是矩形,也不限定边界是直线。
屋盖结构中心点(轴网900×600mm的中心)为挠度测量点。
2.4剖面尺寸要求
模型高度方向的尺寸以承台板面标高为基准,尺寸详见图-4、5。
图-3屋盖结构尺寸图
图-4结构剖面图A
图-5结构剖面图B
3
模型材料及制作工具
3.1竹材
竹材规格及数量如表-1所示,竹材参考力学指标如表-2所示。
表-1竹材规格及用量
竹材规格
竹材名称
数量
竹皮
1250mm×430mm×0.50mm
本色侧压双层复压竹皮
4张
1250mm×430mm×0.35mm
本色侧压双层复压竹皮
4张
1250mm×430mm×0.20mm
本色侧压单层复压竹皮
4张
竹条
900mm×6mm×1mm
40根
900mm×2mm×2mm
40根
900mm×3mm×3mm
40根
900mm×6mm×3mm
40根
注:
竹条实际长度为930mm。
表-2竹材参考力学指标
密度
顺纹抗拉强度
抗压强度
弹性模量
0.789g/cm3
150MPa
65MPa
10GPa
3.2粘结胶水
502胶水12瓶(规格30克/瓶)。
3.3制作工具
(1)每队配置工具
图-6测试附件
美工刀(3把),3.0m卷尺(1把),1m钢尺(1把),1.2m丁字尺(1把),45cm三角板(1套),16cm弯头带齿镊子(1把),砂纸(6张,粗砂、细砂各3张),5件套锉刀(1套)、剪刀(2把)、棉手套(3副)、签字笔(3支)、HB铅笔(2支)、透明胶带(1卷)、6吋模型剪钳(2把)、切割垫块(1块)、工具收纳筐(1个)。
(2)公用工具
裁纸刀A3(10台)、空间木星模型检测块(4个)。
3.4测试附件
测试附件为100×100×0.8mm的铝片,重17.5g,用于挠度测试。
如图-6。
重量不计入模型重量。
铝片中心刻有直径10mm及直径50mm的圆痕。
3.5屋面材料
屋面材料采用柔软的塑胶网格垫,厚度约3mm。
尺寸为1.5:
1的矩形,四周切为弧形,具体尺寸:
长约108cm,宽约72cm,切弧半径为175mm,以满足重量1kg为准(误差0.5g),中间位置开直径80mm的圆孔(挠度测试之需),详见图-7。
图-7屋面材料
3.6加载材料
加载材料采用软质塑胶运动地板(图-8,9),尺寸950mm×650mm,四周切为弧形,中央开直径80mm的圆孔(挠度测试之需)。
加载材料厚度约2.4mm。
单块重量2kg,误差控制在1g以内,大于2kg的部分通过均匀开小孔(孔径10mm)的方式减去,小于2kg的粘贴小块材料补足。
图-8加载材料尺寸图
图-9加载材料尺寸图
4
模型制作要求
4.1模型的承台板由竞赛主办方统一提供,板长边中点处标注承台板自重(精确到1g)。
各参赛队不得对其进行任何致重量改变的操作,如打磨、挖空,削皮,洒水等,否则视为违规,取消比赛资格。
4.2模型的其余部分由参赛队制作。
模型结构的所有杆件、节点及连接部件均采用给定材料与粘结胶水手工制作完成。
4.3测试附件粘贴要求
(1)测试附件(铝片)粘贴于屋盖结构中心处(见图-3~5),且铝片中心区域(直径50mm)表面应平行于承台板面。
屋面材料铺设后,必须能与铝片接触。
(2)铝片必须直接牢固粘贴在与屋面网垫接触的杆件上,第一阶段加载过程中出现脱落、倾斜而导致的位移计读数异常,各参赛队自行负责。
(3)若中心区域无杆件,则需由参赛队自行增加杆件连接,增加的杆件计入模型重量。
4.4模型提交时应组装为整体,即将承台板、支承结构和屋盖结构用胶水装配成整体。
4.5模型制作时间为14小时。
模型应在规定的制作时间内组装为整体,此后不能再有任何实质性的操作。
4.6比赛中提供的制作台尺寸1220×2440mm,台面高度720~750mm。
5
模型净空检测及称重
5.1模型净空间检测
用标准净空模块(850mm长×550mm宽×300mm高)沿纵向及横向穿越模型内部,如不能通过,则视为模型不合格。
5.2屋盖平面尺寸及高度检测
用激光水平仪和卷尺检测屋盖平面尺寸及高度,满足下列要求之一者视为不合格。
(1)屋盖平面尺寸最大处超过允许值(1050、750)+10mm(每侧+5mm);
(2)屋盖平面尺寸最小处超过允许值(900、600)-10mm(每侧-5mm);
(3)屋盖厚度超过允许值(125mm)+5mm。
5.3模型称重
模型整体称重后,减去承台板及测试附件(铝片)的重量,即为参赛模型的重量Mi。
6
模型加载及评判
6.1加载方式
模型加载采用静加载的形式完成,所加荷载为屋面全跨均布荷载,荷重用软质塑胶运动地板模拟。
6.2加载准备
(1)模型置于加载台上,调试位置。
使位移计激光投射于铝片中心直径为10mm的圆痕区域内,完成定位。
(2)调整激光位移计高度。
使激光位移计底面至铝片中心的垂直距离为100±25mm范围内。
(3)布置摄像头。
模型净空范围内设置摄像头,观测受力过程中结构的变形。
6.2加载过程
先铺屋面材料,作为预加载,然后位移计读数清零。
模型加载分为两个阶段:
6.2.1第一阶段:
标准加载14kg(七张胶垫)
(1)先加第一级,6kg(三张胶垫逐张加载),完成后持荷20秒,测试并记录测试点挠度值。
(2)再加第二级,8kg(四张胶垫逐张加载),完成后持荷20秒,测试并记录测试点挠度值。
第一阶段加载时的允许挠度为[w]=4.0mm。
6.2.2第二阶段:
最大加载
第二阶段的最大加载量由各参赛队根据自身模型情况自行确定,可报两个级别(定义为第三级和第四级),并应在加载前上报。
荷载级别为胶垫的数量(即2kg的倍数)。
(1)先加第三级,按上报加载量一次完成加载,持荷20秒,如结构破坏,终止加载,且本级加载量不计入成绩;如结构不破坏,继续加载。
(2)再加第四级,按上报加载量一次完成加载,持荷20秒,加载结束。
如结构破坏,本级加载量不计入成绩;如结构不破坏,本级加载量计入成绩;
第二阶段加载时不进行挠度测试。
6.2.3加载过程由参赛队队员完成。
6.2.4自预加载开始,至加载结束,时间控制在6分钟以内。
(第四级加载后的持荷时间不计入6分钟内)
6.3评判标准
6.3.1第一阶段
加载过程中,出现以下情况,则终止加载。
本级加载及以后级别加载成绩为零(即第二级加载出现此情况,加载项成绩算第一级加载成功的成绩);
(1)模型结构发生整体倾覆、垮塌;
(2)屋面杆件脱落;
(3)挠度超过允许挠度限值[w]的1.10倍。
6.3.2第二阶段
(1)加载过程中,若模型结构发生整体倾覆、垮塌,则终止加载,本级加载及以后级别加载成绩为零(即第三级加载出现此情况,加载项成绩算第二级加载成功的成绩);
(2)加载过程中,若模型结构未发生整体倾覆、垮塌,但有局部杆件的破坏、脱落或过大变形,则可继续加载。
6.3.3每队加载成绩由各级加载成功时,计算所得荷重比分数和刚度分数组成。
7
评分项及评分标准
7.1模型评分项及分值
模型评分项共五项,总分100分,其中包括:
(1)计算书以及设计说明——10分
(2)结构选型与制作质量——10分
(3)现场表现——5分
(4)模型承载力——60分
(5)模型刚度——15分
7.2评分标准
7.2.1计算书以及设计说明——10分
(1)计算内容的完整性、准确性6分
(2)图文表达的清晰性、规范性4分
7.2.2结构选型与制作质量——10分
(1)结构合理性与创新性5分
(2)模型制作质量与美观性5分
7.2.3现场表现——5分
(1)赛前陈述3分
(2)现场答辩2分
7.2.4模型承载力——60分(第一阶段加载,35分;第二阶段加载,25分)
(1)计算各参赛队模型(i)的单位自重承载力m1i、m2i
按式(a)计算:
,
(a)
N1——第一阶段加载成功时的加载荷重(包括屋面重量);若两级加载均成功,承载力为两级加载块重量和屋面材料重量之和,即N1=15kg;若仅第一级加载成功,承载力为第一级加载块重量和屋面材料重量之和,即N1=7kg。
N2i——第二阶段加载时,本队模型的加载荷重,单位:
kg;
Mi——本队模型的自重;单位:
g。
(2)模型承载力得分Ci
按式(b)计算:
(b)
m1,max——第一阶段加载时,所有参赛队模型中单位自重承载力的最大值;
m2,max——第二阶段加载时,所有参赛队模型中单位自重承载力的最大值。
7.2.5模型刚度——15分(仅第一阶段加载)
按以下方式计算模型刚度得分Ki
(a)当wi≤[w]时
(c1)
(b)当[w]<wi≤1.10[w]时
(c2)
(c)当wi>1.10[w]或wi<0时
(c3)
wi——第一阶段加载成功时,本队模型的挠度(mm),向下为正。
[w]——第一阶段加载时的允许挠度,[w]=4.0mm。
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计算书要求
8.1计算书内容要求
计算书应包括以下内容:
(1)赛题解读
(2)结构选型分析及结构方案
(3)构件尺寸
(4)计算分析
(5)第二阶段加载所需的重量(两级)
(6)必要的图纸
8.2计算书格式要求
计算书格式要求详见附件。