1 概况 1.1 设计理念基于结构性态的抗震设计思想, 将抗震设防目标确定为在三级台面加速度时程加载下结构主骨架在弹性范围工作为了获得较好的竞赛成绩, 在满足设防目标要求的前提下, 追求最轻的结构最大分值的重力加载量和最大的台面加速度峰值结构合理选型和铁块合理布置, 使结构的基本自振周期避开产

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钏酆
5 years ago
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1 第五届全国大学生结构设计与制作竞赛计算书参赛学校 : 四川大学参赛作品 : 窈窕淑女指导老师 : 傅昶彬参赛队员 : 任龙王伦文陈祥赟 -1-

2 1 概况 1.1 设计理念基于结构性态的抗震设计思想, 将抗震设防目标确定为在三级台面加速度时程加载下结构主骨架在弹性范围工作为了获得较好的竞赛成绩, 在满足设防目标要求的前提下, 追求最轻的结构最大分值的重力加载量和最大的台面加速度峰值结构合理选型和铁块合理布置, 使结构的基本自振周期避开产生类共振的特征周期充分利用屋顶水箱的调谐阻尼器耗能作用, 将模型设计成耗能减震结构合理确定结构的高宽比, 使结构的整体稳定性和抗倾覆能力具备基本条件的保证结构各层平面和荷重布置规则对称, 以避免扭转振动的不利影响 ; 将竖向承力构件靠四角布置, 使结构对偶然偏心引起的扭转振动有较好的适应性加强节点构造连接, 不仅使结构具有较好的整体牢固性和整体稳定性, 而且可以充分调动各构件多方面的力学性能结构设计尽量作到传力直接, 受力明确, 用尽量少的构件和合理的体型表达力与美构件设计在遵循材料特性和便于制作的前提下, 尽可能追求截面面积小和截面力学性能好为了减小结构自重, 考虑铁块和水箱对楼屋面刚度的增大作用, -2-

3 将楼屋面板按开洞处理 1.2 结构基本情况结构采用竹质框架 - 屋顶水箱调谐阻尼器耗能体系结构总高度 100cm, 方形底面边长 21cm, 高宽比 4.76, 各层层高 25cm, 各层净高 24cm 4 根承力柱分置于平面四角, 轴线跨度 20cm 结构计算质量 280g, 水箱注水重量 3.95kg, 铁块总重量 29.7kg, 其中第二层 0.675kg, 第三层 4.95kg, 第四层 kg 总有效承载面积 603cm 2, 其中第二层 27 cm 2, 第三层 198 cm 2, 第四层 378 cm 2 除顶层梁采用等边三角管截面外, 其余框架梁柱均采用方管截面, 各楼面井梁采用 T 形截面 2 计算书 2.1 结构选型对于四层竹质结构可选结构有框架结构剪力墙结构框架 - 剪力墙结构框架 - 支撑结构空间桁架结构等为了避免发生类共振, 并使结构自重较轻, 框架结构是一种合理的选择框架结构的优点是构件数量少, 空间开阔, 方便铁块布置, 容易作到避免类共振但框架结构是单重抗侧力体系, 抗震防线薄弱, 当设计不当时, 在较大的水平地震作用下, 过大的二阶效应容易使结构失稳倒塌为了克服其不足, 设计时充分考虑屋顶水箱调谐阻尼器的耗能作用, 在三级不同频率和峰值加速度时程加载下, 使主要承重楼层的结构反应大大减小 ( 第四层铁块重量占铁块总重量的 81.06%, 耗能作用使该楼层最大加速度值减小 50% 以上, 见表 2-1), 结构始终处于弹性工作状态, -3-

4 从而可有效避免不利情况的发生 2.2 结构分析模型根据设防目标的要求, 结构分析采用空间杆件多自由度弹性体系附加调谐阻尼模型 ( 见图 2-1), 质量就近离散到节点上, 每一个节点 6 个自由度, 即 3 个平动和 3 个转动, 其振动方程表示为式中 M M X C X K X S M 1 x t (2-1) C K 分别为质量矩阵阻尼矩阵和刚度矩阵 ; X X X 分别为相对地面加速度 ( 角加速度 ) 列向量 x g 速度 ( 角速度 ) 列向量和位移 ( 转角 ) 列向量 ; S 调谐阻尼器制动力 ; 1 单位列向量 ; t 振动台输入的地震波加速度 g 图 2-1 结构模型示意图 -4-

5 2.3 结构分析方法动力分析采用弹性时程分析方法, 具体分析应用 midas 软件完成 2.4 软件性能及问题处理北京迈达斯技术有限公司编制的 midas gen 软件, 单元库由桁架单元只受拉单元索单元只受压单元梁单元 / 变截面梁单元平面应力单元板单元平面应变单元平面轴对称单元和空间单元组成, 虽可以用于一般结构的静力和动力分析, 但并不能直接解决方程式 (2-1) 的求解问题另外, 当结构柱脚采用固结约束时, 计算输入的地震波加速度时程不受上部结构的影响, 而实际振动台面的加速度时程要受上部结构的影响由于计算模型与实际结构存在差异, 故不能过分依赖软件的精确分析, 而应把概念设计放在头等重要的位置, 重视实验分析和构造措施为了利用 midas 软件解决方程式 (2-1) 的求解问题, 将方程式 (2-1) 改写为并假定 * C 仍然与 M X * C X K X M 1 x t (2-2) C C X S -5- g * (2-3) M 和 K 线性相关, 且取所有振型的等效阻尼比式中 s 竹质结构阻尼比, 可取 0.012; s c (2-4) c 水箱调谐阻尼器等效阻尼, 其值与水箱内水波振荡耗能有关水箱最大容量为 4 升, 考虑水波的震荡耗能所需空间, 将注水量

6 确定为 3.95 升, 从计算和实测加速度对比分析看 ( 见表 2-1), 弹性时程分析取 0. 8 在第三级加载时较为合理表 2-1 由计算与实测对比确定的阻尼比加楼 s 为为 0.8 实测台实测楼实测楼层为 0.8 水箱使载层时时的计算面绝对层绝对相对加速时计算与第 4 层级号的计算相相对加速加速度加速度度最大值实测的加最大加次对加速度度最大值最大值最大值 (g) 速度最大速度值最大值 (g) (g) (g) 值的误差减少 (g) (%) (%) 第一级第二级第三级注 :1. 塑料水箱 + 注水重 =4.25kg, 三层铁块总重 29.7kg, 第 4 楼层铁块重 kg ( 占 81.06%); 2. s c, 其中竹材结构阻尼比 0. s 012, c 为水箱调谐阻尼器附加等效阻尼比 ; -6-

7 3. 实测相对加速度最大值 = 实测楼层绝对加速度最大值 - 实测台面绝对加速度最大值 ; 4. 水箱使第 4 层最大加速度值减少 (%)=( 不设水箱为计算的相对最大加速度实测相对最大加速度 )/ 不设水箱为计算的相对最大加速度 ; 5. 为 0.8 时计算与实测的加速度最大值的误差 (%)=( 为 0.8 时计算的相对加速度最大值 - 实测的相对加速度最大值 )/ 实测的相对加速度最大值 2.5 结构建模及主要计算参数结构建模单位设定 : 力为牛顿 N, 长度为毫米 mm 重力加速度取 9806mm/s 2 结构构件均采用梁单元, 并按均质各向同性考虑竹材的动弹性模量因尚未达到高频降低的程度, 故动弹性模量按静弹性模量取值, 取 N/mm 2 需要特别说明的是, 模拟铁块对楼层刚度的增大作用, 将第三层和第四层与铁块接触的部分梁段的弹性模量取为 N/mm 2-7-

8 图 2-2 材料数据 -8-

9 图 2-3 模型空间网线及杆轴尺寸标注图 2-4 方管框架梁柱截面数据 -9-

10 根据实测竹材容重取 N/mm 3, 一般构件输入的材料数据见图 2-2 采用 Autocad 建立并导入 midas 的模型空间网线图及杆轴尺寸标注见图 2-3 图 2-5 顶层框梁截面形式转换图 2-6 第二层和第三层井梁截面数据 -10-

各层井梁均采用 T 形截面, 截面尺寸 H B tw tf 分别为 : 第二层和第三层 6mm 5mm 1mm 1mm( 见图 2-6), 第四层 9mm 5mm

11 图 2-7 支座定义及结构数值模型除顶层框梁外, 框架梁柱采用闭口方管构件, 截面尺寸 10mm 10mm 1mm, 输入截面数据见图 2-4 顶层框梁采用闭口等边三角管构件, 截面尺寸 8mm 1mm, 因 midas 截面库无该截面可选, 故将其按受弯性能等效为 T 形截面, 如图 2-5 所示各层井梁均采用 T 形截面, 截面尺寸 H B tw tf 分别为 : 第二层和第三层 6mm 5mm 1mm 1mm( 见图 2-6), 第四层 9mm 5mm 1mm 1mm 框架柱脚按固端考虑, 边界条件选用一般支承形式, 支座定义和结构数值模型见图结构分析荷载输入 (1) 结构自重结构自重选择由软件自动计算, 根据结构与整 -11-

12 图 2-8 自重数据图 2-9 水箱荷载数据体坐标系的关系, 设定在 x y z 三轴方向的自重系数分别为 0 0-1, 见图 2-8 (2) 水箱荷载按梁单元荷载输入, 水箱方形底面边长 124mm, 两对边由框梁支承, 水箱总重 4.25kg, 其中注水重量 3.95kg, 水箱重 0.3kg, 添加在顶层框梁上的均布线荷载值为 q=0.168n/mm, 输入荷载数据见图 2-9 (3) 铁块荷载按节点荷载输入, 第二层只布置了一个小铁块, 按 1 个竖向节点力输入, 其值为 P1=6.62N( 见图 2-10), 第三层共布置了两个大铁块和两个小铁块, 按 12 个竖向节点力输入, 平均每 -12-

86N, 添加在结构上的水箱及铁块荷载见图 2-11 2.6.2 荷载转换成质量及转动惯量输入 (1) 荷载转换成质量调用 midas

13 个图 2-10 第二层铁块荷载数据图 2-11 水箱及铁块荷载图节点力为 P2=4.05N, 第四层共布置了 4 个大铁块和 25 个小铁块, 按 14 个竖向节点力输入, 平均每个节点力为 P3=16.86N, 添加在结构上的水箱及铁块荷载见图荷载转换成质量及转动惯量输入 (1) 荷载转换成质量调用 midas 命令直接将已输入的荷载转换为节点质量, 见图 2-12 (2) 转动惯量输入水箱总重 4.25kg, 由手算得到水箱重心距屋顶面的高度为 157mm, 水箱离散到 4 个柱顶节点对 x y 轴的转动惯量为 kg mm 2, 数据输入见图 2-13 第四层铁块质量为 -13-

14 24.075kg, 手算确定的质心距楼面高度 48.3mm, 离散到 14 个楼层节图 2-12 荷载转换成质量 -14-

图 2-13 水箱转动惯量数据图 2-14 各节点转动惯量图点对 x y 轴的转动惯量为 4011.74kg mm 2 第三层铁块质量为 4.

15 图 2-13 水箱转动惯量数据图 2-14 各节点转动惯量图点对 x y 轴的转动惯量为 kg mm 2 第三层铁块质量为 4.95kg, 质心距楼面高度 16mm, 离散到 12 个楼层节点对 x y 轴的转动惯量为 105.6kg mm 2 第二层铁块质量为 0.675kg, 质心距楼面高度 16mm, 离散到 1 个楼层节点对 x y 轴的转动惯量为 172.8kg mm 2, 各层节点转动惯量输入后的图形显示见图时程分析数据输入计算采用的三条地震波加速度时程曲线, 分别对应三个级别的动力加载, 根据每级加载输入电压的变化, 按比例确定每级峰值加速度值每级的加速度时程特征数据为 : 第一级峰值加速度 mm/s 2, 持时 32s, 时间步长 0.005s; 第二级峰值加速度 mm/s 2, 持时 26s, 时间步长 0.004s; 第三级峰值加速度 10000mm/s 2, 持时 21s, 时间步长 s 由竞赛组委会提供的地震波加速度时程数据, 按要 -15-

16 求图 2-15 第一级输入地震波时程数据图 2-16 第二级输入地震波时程数据 -16-

17 图 2-17 第三级输入地震波时程数据处理并导入的第一级第二级和第三级地震波时程数据见图 2-15~ 图 2-17 第一级时程加载工况数据见图 2-18( 第二级和第三级时程加载工况数据图略 ) -17-

图 2-18 第一级时程加载工况数据 2.6.4 荷载组合振动台为平面单向振动, 结构双向抗侧刚度基本相同, 故计算书只给出一个方向的计算结果, 并按以下 4 种工况进行荷载组合, 组合系数均取 1.

18 图 2-18 第一级时程加载工况数据荷载组合振动台为平面单向振动, 结构双向抗侧刚度基本相同, 故计算书只给出一个方向的计算结果, 并按以下 4 种工况进行荷载组合, 组合系数均取 1.0 (1) 工况 1= 结构自重 + 水箱 + 铁块 ; (2) 工况 2= 结构自重 + 水箱 + 铁块 + 第一级加载 ; (3) 工况 3= 结构自重 + 水箱 + 铁块 + 第二级加载 ; -18-

19 (4) 工况 4= 结构自重 + 水箱 + 铁块 + 第三级加载 2.7 分析成果及强度验算反应谱当不考虑水箱调谐阻尼影响时, 在各级加载下的地震反应谱曲线见图 2-19~ 图 2-21 由图可知, 第一级加载的类共振周期范围为 0.2s~0.4s; 第二级加载的类共振周期范围为 0.15s~0.25s; 第三级加载的类共振周期范围为 0.1s~0.3s 图 2-19 第一级加载下的地震反应谱 -19-

图 2-20 第二级加载下的地震反应谱图 2-21 第三级加载下的地震反应谱 2.7.

20 图 2-20 第二级加载下的地震反应谱图 2-21 第三级加载下的地震反应谱周期与振型结构有限元模型节点数 59, 振型总数 =59 6=354, 但高阶振型对结构动力分析的结果影响极其微小, 故在特征值分析时, 取振型数为 50 从 midas 计算结果看, 起主要作用的是 x 轴或 y 轴方向的 -20-

平动振型, 因结构顶部在两个方向略有差异,x 轴和 y 轴方向的有效质量占总质量的比例分别为 98.92% 和 96.804% 平动基本自振周期各为 0.673

21 平动振型, 因结构顶部在两个方向略有差异,x 轴和 y 轴方向的有效质量占总质量的比例分别为 98.92% 和 % 平动基本自振周期各为 s 和 s, 均避开了各级加载类共振周期范围, 见图 2-22 图 2-22 结构平动一阶模态及自振周期支座反力结构自重及工况 1 下的支座反力见图 2-23 和图 2-24 结构计算总质量 280g 包含构件和节点构造材料两个部分, 结构自重下的支座反力之和为 2.48N( 只反映结构构件重 ) 与自重吻合工况 1 下的支座竖向反力之和为 335.4N 与工况 1 的竖向荷载之和吻合 -21-

22 图 2-23 结构自重下的支座反力 -22-

23 图 2-24 工况 1 下的支座反力结构应力竹材按均质各向同性考虑, 取允许应力 =60N/mm 2 工况 1~ 工况 4 下的结构应力见图 2-25~ 图 2-28 图 2-25 工况 1 下的结构应力 2 工况 1 的最大应力 62. N mm 在第四层 T 形截面梁上, 只 max

24 超过允许应力的 3.65% 图 2-26 工况 2 下的结构应力 2 工况 2 下框架梁的最大应力 N 2 架柱的最大应力 49. N mm max 4 2 max 56 mm 60 N mm 2 60 N mm, 框 -24-

25 图 2-27 工况 3 下的结构应力 2 2 工况 3 下框架柱的最大应力 58.3 N mm N mm max

26 图 2-28 工况 4 下的结构应力 2 2 工况 4 下框架柱的最大应力 55.7 N mm N mm max 结构侧移验算本次竞赛未对结构侧移提出要求, 因此, 计算书省略了结构侧移验算 3 设计图结构长度尺寸按 mm 计, 标高按 m 计, 定 ±0.000 为底板顶面标高 -26-

27 3.1 结构平面图图 3-1 底层平面图图 3-2 二层平面图 -27-

28 图 3-3 三层平面图图 3-4 四层平面图 -28-

29 图 3-5 屋顶平面图 3.2 结构立面图图 3-6 1~2 轴立面图图 3-7 A~B 轴立面图 -29-

30 3.3 铁块布置图图 3-8 二层铁块布置图图 3-9 三层铁块布置图 -30-

31 a) 四 -1 层铁块布置 b) 四 -2 层铁块布置图 3-10 四层铁块布置图 -31-

32 c) 四 -3 层铁块布置 -32-

33 d) 四 -4 层铁块布置图 3-10 四层铁块布置图 3.4 构件截面图 a) 截面图 b) 1 图 3-11 KZ-1 KL-* 截面 a) 截面图 b)4 图 3-12 KL-4 5 截面 -33-

34 a) 截面图 b)2 图 3-13 L 截面 a) 截面图 b)3 图 3-14 L-3 4 截面 -34-

35 3.5 节点大样图 a) 柱脚平面 b)1-1 图 3-15 柱脚节点构造大样图 3-16 框架节点构造大样 -35-

36 图 3-17 井字梁支座节点大样图 3-18 顶层框架节点图 -36-

37 图 3-19 KZ-1 拐角处节点大样 -37-

38 3.6 材料表表 3-1 材料表构件名称截面尺寸 (mm) 截面面积 (mm 2 ) 构件长度 (mm) 数量体积 (mm 3 ) 质量 (g) 备注 KZ-1 10x10x KL-1 10x10x KL-2 10x10x KL-3 10x10x 边长为 10mm, 壁厚为 1mm 的箱型截面 KL-4 8x 边长为 8mm, 壁厚为 1mm 的 KL-5 8x 空心三角形型截面 L-1 6x5x1x 翼缘宽为 5mm, 腹部高度 L-2 6x5x1x 为 5mm, 厚度均为 1mm 的 T 型截面 L-3 9x5x1x 翼缘宽为 5mm, 腹部高度 L-4 9x5x1x 为 8mm, 厚度均为 1mm 的 T -38-

39 型截面 L-5 6x5x1x 截面与 L-1 相同 ZJ Rt 4x 贴角 1 Rt 4x 贴角 2 Rt 4x 两直角边长均为 4mm 的直角贴角 3 Rt 4x 三角形截面贴角 4 Rt 4x 注 :1. 按照以上材料表, 共需 0.35mm 厚的竹片 3 张,0.2mm 厚的竹片 1 张 2. 该模型需要 502 胶水 12 瓶 3. 以上表格计算的总质量已包含了 502 胶水的质量参考文献 1. 王社良主编抗震结构设计 ( 第 3 版 ) 武汉理工大学出版社 ; 2. 李碧雄, 傅昶彬, 李章政, 贾正甫建筑结构设计中国电力出版 -39-

40 社 ; 3. 建筑抗震设计规范 GB ; 4. 北京迈达斯技术有限公司 midas gen 用户手册 ; 5. 任晓亮, 方诗圣利用 TLD 和 TMD 控制高层建筑地震反应的研究第七届全国土木工程研究生学术论坛东南大学 2009; 6. 宫玉才等快速子空间迭代法迭代 Ritz 向量法与迭代 Lanczos 法的比较振动工程学报第 18 卷第 2 期 2005 年 6 月 ; 7. 王泉中竹材胶合板动态性能研究南京林业大学学报第 21 卷第 1 期 1997 年 3 月 -40-

目录 1 结构选型总体思路具体思路结构建模及主要计算参数概述计算假定模型参数计算软件和结构建模受荷分析 ANSYS 结果分析..

目录 1 结构选型总体思路具体思路结构建模及主要计算参数概述计算假定模型参数计算软件和结构建模受荷分析 ANSYS 结果分析.. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 第五届全国大学生结构设计竞赛计算书作品名称 : 秋韵阁学院校 : 南京航空航天大学系 : 航空宇航学院土木工程系指导教师 : 唐敢领队 : 王法武参赛队员 : 王维辰郑肇鑫李洪明 2011 年 10 月目录 1 结构选型... 1 1.1 总体思路... 1 1.2 具体思路...