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1 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

2 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 模态分析 第一级加载 第二级加载 第三级加载 ANSYS 结果汇总 SAP2000 结果分析 模态分析 第一级加载 第二级加载 第三级加载 SAP2000 结果汇总 小结 节点构造 铁块分布详图 水箱注水重量 模型加工图... 19

3 1 结构选型 秋韵阁 1.1 总体思路 建筑功能 建筑技术 建筑形象是构成建筑的基本要素 ( 建筑的三要素 ), 三者不可分割并相互制约 在充分分析本次竞赛赛题的各项要求和多方案比较基础上, 选用框架 - 中心支撑体系作为模型的结构类型, 并尽量协调建筑三要素之间的关系 1.2 具体思路 1) 结构平面布置从结构抗震角度, 平面对称 侧向刚度均匀 平面长度接近的结构其抗震性能较好 结合赛题要求, 我们将建筑平面做成规则 对称的矩形, 并依据铁块的大小合理 对称布置相应附加铁块, 使结构质量中心与刚度中心重合, 以避免结构在水平地震作用下产生较大扭转 并将结构主要承重构件尽量布置在建筑外侧, 以充分发挥其承载能力 2) 结构竖向布置本模型竖向体型规则 渐变 ( 除底层外 ), 结构竖向布置使各层的刚度中心接近在同一竖直线上和使结构各层的抗侧力刚度中心与水平力中心接近重合, 以避免刚度突变产生的应力集中 局部屈曲等不利影响 3) 竹材特性在查阅相关资料和材性试验基础上, 发现赛题所用竹材的抗拉性能较好, 而其抗压性能较差 故本模型采用中心交叉受拉斜撑作为结构的抗侧体系, 在节约用料基础上, 充分发挥竹材抗拉性能较好的优势 柱子作为结构的主要竖向受力构件, 主要承受压力, 而竹材的抗压能力较低, 尤其容易发生局部屈曲, 采用加多道横隔的箱形截面以提高柱子的受压性能 梁中也适当布置部分横隔 4) 提高能效比的措施由于本模型结构布置合理 竹材特性发挥充分, 因而承载能力较大, 固进一步采取相关措施来提高模型的能效比 :a) 提高底层高度, 在提高结构能效比的同时在底层也可采用中心交叉受拉斜撑 ( 不影响门洞 );b) 在满足模型总有效承 1

4 载面积要求的基础, 将铁块尽量安放于第四层楼面 ;c) 由于四层楼面附加质量 较大, 适当增加屋顶水箱中的注水量, 在提高能效比的同时, 也可更好地发挥其 减震效果 2 结构建模及主要计算参数 2.1 概述 目前常用的抗震分析方法主要包含以下几种 : 底部剪力法 振型分解反应谱法 时程分析法 底部剪力法是各国规范普遍采用的一种简化计算方法, 它的基本特点是计算简便, 适用于刚度和质量比较均匀 以剪切变形为主的结构 反应谱是指在给定的地震加速度作用期间内, 单质点体系的最大位移反应 速度反应和加速度反应随质点自振周期变化的曲线 振型分解反应谱法的理论基础是地震反应分析的振型分解法及地震反应谱概念, 它的思路是根据振型叠加原理, 将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加, 将各种振型对应的地震作用 作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用 作用效应 时程分析法或称为直接动力法 动态分析法, 它是将建筑物作为振动系统, 直接输入地震波, 用逐步积分法求解依据结构恢复力特性建立的动力方程, 直接计算地震期间结构的位移 速度和加速度时程反应, 从而能够描述结构在地震作用下, 在弹性和非弹性阶段的内力变化, 以及结构构件逐步开裂 屈服 破坏直至倒塌的全过程 上述方法中, 底部剪力法为静力分析方法, 其它两种属于动力分析方法 由于竹结构房屋还没有相关规范, 为对模型进行结构建模和有限元计算, 查阅了一些文献, 包括 竹结构轻型框架房屋的研究与应用 ( 陈岩等, 建筑结构学报,2010) 木结构设计规范 ( GB ) 钢结构设计规范 ( GB ) 建筑抗震设计规范 (GB ) 等 在此基础上, 经过学习 讨论后决定按底部剪力法对模型进行有限元计算 这主要是因为 :1) 结构选型使整个结构规则 对称, 通过理论计算和振动台实际试验发现, 本模型的位移反应以基本振型为主且基本振型接近直线, 符合底部剪力法的适用范围 ;2) 受知识面和时间的限制, 未能完全掌握有限元软件的动力抗震计算技术 ;3) 通过多方案的理论计算与试验结果的比较, 我们的有限元计算基本能反映出模型的结构性能 2

5 2.2 计算假定 1) 梁 柱等框架构件按梁单元 柔性撑按索单元处理 ; 2) 模型与底板刚接 ; 3) 配重铁块按附加质量考虑, 不考虑其结构作用 ; 4) 由于屋顶水箱的作用, 屋顶梁的计算刚度适当提高 ; 5) 水箱 ( 包括其中的水 ) 作为质量考虑, 不考虑水箱中水的减振作用 ; 6) 根据台面模型加载下三级实测加速度数据获得计算用反应谱, 然后按底部剪力法计算模型水平荷载 2.3 模型参数 (1) 几何参数模型三维示意图如图 1, 立面图如图 2, 其主要构件截面尺寸包括 :1) 底层柱 :8mmX8mmX0.5mmX0.5mm, 其余柱 :6mmX6mmX0.5mmX0.5mm;2) 梁 :5mmX8mmX0.35mmX0.35mm;3) 底层交叉斜撑 :6mmX0.35mm, 其余交叉斜撑 :5mmX0.35mm, 柱脚斜撑 5mmX8mmX0.35mmX0.35mm 模型的各部分详细几何参数参见模型加工图 图 1 模型三维示意图 图 2 模型立面图 3

6 (2) 荷载计算模型计算简图如图 3 由于模型的自重相对于附加质量来说较轻, 可以忽略, 因而 G 1 G 2 G 3 即为各层配重铁块的重量 各层铁块具体布置参见铁块分布详图, 得 :G 1 =6.075 kg G 2 =5.625 kg G 3 =18 kg G4 为屋顶水箱重量, 参见水箱注水重量,G 4 =3 kg 水平荷载计算, 由 建筑抗震设计规范 (GB ): F EK G 1 eq GH i i Fi FEK (1 n)( i 1,2,... n) n GH j 1 F F n n EK j j 式中 : F EK 结构总水平地震作用标准值 ; 1 相应于结构基本自振周期的水平地 震影响系数 ; G eq 结构等效总重力荷载, 单质点应取 总重力荷载代表值, 多质点可取总重力荷载代表 值的 85%; F i 质点 i 的水平地震作用标准值 ; G G 分别为集中于质点 i j 的重力 荷载代表值 ; i j H H 分别为质点 i j 的计算高度 ; i j 图 3 模型计算简图 n 顶部附加地震作用系数 ; F n 顶部附加水平地震作用 上述参数中, 1 与烈度 场地类别 设计地震分组和结构自振周期以及阻 尼比有关, 竞赛中采用 WS-Z30 小型精密振动台系统进行模拟水平地震作用的加 载, 不适合直接取规范表中数值 根据台面模型加载下三级实测加速度数据获得 计算用反应谱 ( 考虑 502 胶 热熔胶等作用, 模型阻尼比取 0.5), 如图 4 至图 6 4

7 模型基本周期为 0.805s( 见后面的受荷分析 ), 因而本模型三级加载下的 1 分别 为 由于计算中已经不考虑水箱中水的减振作用, 也不宜 考虑过多的顶部附加水平地震作用, 综合考虑后决定取 n =0, 即不考虑顶部附 加水平地震作用 由图 4 至图 6 可以看出, 本模型基本周期远离共振区域 经计算, 第一级加载时,F 1 =9.926 N F 2 = N F 3 = N F 3 = N; 第二级加载时,F 1 = N F 2 = N F 3 = N F 3 = N; 第 三级加载时,F 1 = N F 2 = N F 3 = N F 3 = N T(s) 图 4 第一级计算用反应谱 T(s) 图 5 第二级计算用反应谱 5

8 T(s) 图 6 第三级计算用反应谱 2.4 计算软件和结构建模 分别采用美国 ANSYS 公司的通用有限元分析软件 ANSYS 和 CSI 公司的结构有限元软件 SAP2000 进行模型有限元抗震计算, 以相互校验 在 ANSYS 中, 梁单元选用欧拉梁单元 Beam44, 索单元选用 Link10 在 SAP2000 中, 主要采用框架单元 (Frame), 通过两端自由度释放实现铰接连接 建好的结构模型分别见图 7 图 8 图 7 ANSYS 计算模型 图 8 SAP2000 计算模型 6

9 3 受荷分析 3.1 ANSYS 结果分析 模态分析 第一阶振型第二阶振型第三阶振型 ( 频率 Hz) ( 频率 Hz) ( 频率 Hz) 图 9 ANSYS 分析结构前三阶振型 由模态分析结果可知, 第一阶及第二阶振型为平动, 且频率相同 ; 第三阶振 型为扭转, 且扭转频率离基本频率较远, 符合结构选型和设计思路 第一级加载 图 10 第一级加载最大应力 ( 轴向应力 + 弯矩应力 ) 云图 7

10 图 11 第一级加载最小应力 ( 轴向应力 - 弯矩应力 ) 云图 图 12 第一级加载轴向应力云图 由上述结果可知, 模型在第一级加载时最大拉应力为 22.34MPa, 最大压应 力为 -46.1MPa, 最大轴向应力为 28.3MPa( 压 ), 均小于 60MPa, 满足要求 8

11 3.1.3 第二级加载 图 13 第二级加载最大应力 ( 轴向应力 + 弯矩应力 ) 云图 图 14 第二级加载最小应力 ( 轴向应力 - 弯矩应力 ) 云图 9

12 图 15 第二级加载轴向应力云图 由上述结果可知, 模型在第二级加载时最大拉应力为 56.54MPa, 最大压应 力为 -80.2MPa, 除底部支座约束区域发生应力集中, 其余部分均小于 60MPa 最大轴向应力为 49.3MPa( 压 ), 小于 60MPa 满足要求 第三级加载 图 16 第三级加载最大应力 ( 轴向应力 + 弯矩应力 ) 云图 10

13 图 17 第三级加载最小应力 ( 轴向应力 - 弯矩应力 ) 云图 图 18 第三级加载轴向应力云图 由上述结果可知, 模型在第三级加载时最大拉应力为 79.6MPa, 最大压应力 为 -103MPa, 除底部支座约束区域发生应力集中, 其余部分均小于 60MPa 最大 轴向应力为 54.5MPa( 压 ), 小于 60MPa 满足要求 11

14 3.1.5 ANSYS 结果汇总 表 1 ANSYS 分析结果汇总 最大拉应力 最大压应力 最大轴向应力 第一级加载 第二级加载 第三级加载 由 ANSYS 计算结果可知, 模型在第一级加载时所有应力均小于 60MPa, 在 第二 三级加载时除底部支座约束区域发生应力集中外, 其余部位的应力均小于 60MPa 满足要求 3.2 SAP2000 结果分析 模态分析 第一阶振型第二阶振型第三阶振型 ( 频率 Hz) ( 频率 Hz) ( 频率 Hz) 图 19 SAP2000 分析结构前三阶振型 由模态分析结果可知, 第一阶及第二阶振型为平动, 且频率相同 ; 第三阶振 型为扭转, 且扭转频率离基本频率较远, 符合结构选型和设计思路 12

15 3.2.2 第一级加载 图 20 第一级加载模型最大应力比 由上述结果可知, 模型在第一级加载时柱子最大应力比为 0.371, 梁最大应 力比为 0.092, 斜撑最大应力比为 0.330, 满足要求 13

16 3.2.3 第二级加载 图 21 第二级加载模型最大应力比 由上述结果可知, 模型在第一级加载时柱子最大应力比为 0.760, 梁最大应 力比为 0.361, 斜撑最大应力比为 0.672, 满足要求 14

17 3.2.4 第三级加载 图 22 第三级加载模型最大应力比 由上述结果可知, 模型在第一级加载时柱子最大应力比为 0.976, 梁最大应 力比为 0.451, 斜撑最大应力比为 0.904, 满足要求 15

18 3.2.5 SAP2000 结果汇总 表 2 SAP2000 分析结果 ( 应力比 ) 总结 柱 梁 斜撑 第一级加载 第二级加载 第三级加载 由 SAP2000 计算结果可知, 模型在各级加载时各构件的应力比均小于 1, 满 足要求 3.3 小结 通过 ANSYS 和 SAP2000 的分析结果可知, 两个软件计算的结果大体一致 模型第一阶及第二阶振型为平动, 且频率相同 ; 第三阶振型为扭转, 且扭转频率离基本频率较远, 符合结构选型和设计思路 本模型基本周期远离共振区域 模型在第一级加载时各构件均有较高安全储备, 在第二 三级加载时除底部支座约束区域发生应力集中, 其余部位的构件仍能满足安全要求 加工制作时柱脚采用加加劲肋的方式缓解此处的应力集中 4 节点构造 典型节点的构造详图见图 23 至图 26 图 23 Z1 与支撑连接节点大样 16

19 图 24 Z1 与 Z2 连接节点大样 图 25 Z2 与 Z2 连接节点大样 图 26 Z2 顶部连接节点大样 5 铁块分布详图 附加铁块详图见图 27 至图 29, 共 28 个小铁块 6 个大铁块,29.7 kg 17

20 图 27 二层铁块布置图 ( 共 9 个小铁块 ) 图 28 三层铁块布置图 ( 共 3 个小铁块,2 个大铁块 ) 18

21 图 29 四层铁块布置图 ( 共 16 个小铁块,4 个大铁块 ) 6 水箱注水重量 本模型屋顶水箱注水重量 ( 包括水箱自重 ) 为 :3kg 7 模型加工图 19

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韶 关 市 人 民 政 府 令 第 129 号 韶 关 市 城 镇 职 工 基 本 医 疗 保 险 实 施 办 法 ( 韶 府 规 审 2016 1 号 ), 已 经 2016 年 2 月 1 日 韶 关 市 人 民 政 府 第 十 三 届 88 次 常 务 会 议 通 过, 现 予 以 发 布, ( 月 刊 ) ( 总 第 371 期 ) 韶 关 市 人 民 政 府 主 管 主 办 2016 年 3 月 20 日 出 版 目 录 市 政 府 文 件 韶 关 市 城 镇 职 工 基 本 医 疗 保 险 实 施 办 法 ( 韶 府 令 第 129 号 ) 2 韶 关 市 人 民 政 府 关 于 加 强 政 府 性 债 务 管 理 的 实 施 意 见 ( 韶 府 2016 2 号 ) 18 韶 关

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