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以亚李
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1 带屋顶水箱的竹质多层房屋结构作品名称参赛队伍舞动奇迹 4S 队参赛学校上海交通大学参赛队员王海霖彭冬郭繁世指导教师宋晓冰二零一一年

2 目录目录... 1 前言... 2 第一篇设计说明问题背景描述主要信息反馈问题难点结构设计目标方案构思及初步选型方案选型制作心得第二篇方案图第三篇计算书计算模型荷载分析振型分析内力分析

3 前言第五届全国大学生结构设计竞赛建筑是造型艺术, 它是人类为满足自身居住交往和其他活动需要而创造的第二自然, 也是人类日常生活最基本的空间环境它既是封闭的, 又是开放的 ; 既是人工的, 又是自然的, 可以俯看花草树木, 仰观风云日月, 是天人合一的最好表达它是人类重要的物质文化形式, 是时代的最好展现它从最初的为了遮风避雨而营造的屏障逐渐过渡到对于美和温馨的一种追求建筑一直以独特的艺术语言熔铸和反映一个民族的审美观念建筑艺术在其发展过程中, 不断显示出人类所创造的物质精神文明, 以其触目的巨大形象, 空间和时间的流动性, 组合的节律感等, 而被誉为凝固的音乐立体的画无形的诗和石头写成的史书建筑的意义在历史的长河中沉淀, 一件伟大艺术作品有一种潜在的生命力, 它能不断地维持人们对它的兴趣, 而建筑就是这样一件艺术作品它是一种文化, 虽有其物质的一面, 但在满足人们物质需要的同时更蕴涵着人们的精神, 传达着人类对世界对自身的看法同时作为一种人化的空间, 建筑最根本的特征在于满足人的物质和精神需要, 寓含人类活动的各种意义, 包括家庭安全亲切舒适等我们今日所需要的建筑就是要表现今日的时代, 我们需要爱, 温存, 喜悦, 关怀, 宁静, 美丽, 希望和作为一个人的独立自主, 而建筑给予我们这些, 仿若我们的至亲密友今天, 我们有幸拥有这样的机会, 用双手建设属于自己的建筑, 实现自己作为未来建设者的一个梦想, 感到非常光荣我们非常想感谢全国结构设计竞赛委员会, 同时要感谢东南大学给我们提供了这样一个非常好的平台, 我想在这个舞台上, 我们都会越走越远, 创造自己的辉煌, 创造中国的辉煌! 2

4 第一篇设计说明 3

5 1.1 问题背景描述竞赛题目 : 带屋顶水箱的竹质多层房屋结构, 采用竹质材料制作, 具体结构形式不限模型制作材料 : 竹材 502 胶水模型制作要求 : 1) 模型大小 : 模型总高度应为 100cm, 允许误差为 ±5mm, 模型底面尺寸不得超过 22cm 22cm 的正方形平面 ; 2) 楼层数 : 模型必须至少具有 4 个楼层, 底板视为模型第一层楼板 ; 3) 楼层净高 : 每个楼层净高应不小于 22cm; 4) 使用功能要求 : 楼层应具有足够的承载刚度, 在模型内部, 楼层之间不能设置任何横向及空间斜向构件模型底层所有方向的外立面底部正中允许各设置一个 12cm 12cm( 高宽 ) 的门洞, 在此范围内不应设有任何构件, 模型顶面为平面, 应满足安全放置水箱的要求支座条件 : 多层结构模型用胶水固定于模型底板上, 底板为 33cm 33cm 8mm 的竹板, 底板用螺栓固定于振动台上加载试验要求 : 采用在各楼层上加竖向静载和单方向地震的方式考核各队模型对于不同强度和频谱成分地震波作用下的承载能力 1) 在楼层范围内与楼面构件直接接触的铁块的覆盖面积定义为楼层有效承载面积, 模型的总有效承载面积应在 600cm2 至 720cm2 的范围之内, 且每个楼层的有效承载面积不得小于 25 cm2, 模型中附加铁块总重量不得超过 30kg; 2) 采用振动台单方向加载, 在三级加载中, 通过控制加载设备输入电压和地震波 4

6 数据采样频率获得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波三级加载的设备输入电压和数据采样频率控制值如下表所示 : 第五届全国大学生结构设计竞赛加载等级输入电压采样频率加载时间台面最大加速度参考值第一级 0.4V 200Hz 32 秒 0.353g 第二级 0.6V 250Hz 26 秒 0.783g 第三级 0.7V 300Hz 21 秒 1.130g 加载表现评分 : 1) 计算模型等效负载重量 We: W i` 各层承受的附加铁块质量 W W 水箱中的注水质量 H 模型实际总高度 h =( i H We Wi Ww ) H 100 hi 每层所放置铁块的最底面至模型底板的垂直高度 2) 计算模型效率比 We 模型等效负载重量 MM 模型 ( 不含底板和螺栓 ) 质量 I 该级加载台面振动加速度峰值 3) 计算加载表现分 E max 所有模型中的最高效率比 E i 加载模型效率比 I W Ei = 100 M E e M K= i E 75 max 1.2 主要信息反馈结构形式 : 多层房屋框架结构支撑形式 : 螺栓连接, 刚接荷载形式 : 静荷载 : 满足模型总有效承载面积, 且不得超过 30kg 动荷载 : 振动台单方向三级加载加载 5

7 评分标准 : 根据结构自重考虑高度加权系数的荷载质量, 地震加速度大小综合评分 1.3 问题难点结构体系与地震荷载作用的对应关系节省材料用量与结构刚度需求的权衡度量结构在地震荷载作用下的荷载效应分析顶部水箱对减小结构地震响应的有效利用在轴压局部压力及弯矩等多种内力作用下保证构件的安全性对温湿度等环境条件变化对材料性能的影响 1.4 结构设计目标安全可靠经济实用, 造型轻巧具有一定的美感和艺术性 1.5 方案构思及初步选型构思的起点是竞赛的规则, 我们逐字逐句阅读了竞赛规则, 并且认真对规则中的设计制作要求加载步骤及评审规则进行了分析我们感到竞赛规则提供给我们一个极为宽广的设计平台, 在这个平台上可以对多种结构形式进行尝试本次竞赛的题目是制作多层房屋结构, 荷载是施加竖向静荷载和水平方向地震荷载, 分析得到荷载是双向的加载通过抽签挑边确定, 所以结构最好是对称对于适合本题目要求的抵抗双向荷载的多层房屋结构可以有以下几种做法 : 1 框架体系( 如下图 1-1), 通过刚性基座固定在基础上框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构, 即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载构件主要承受弯矩剪力和轴向力作用框架是由梁柱构成的杆系结构, 侧向刚度小, 属柔性结构框架在地震作用下, 框架结构自振周期大, 远离地震波的卓越频率, 地震响应小在地震发生时, 框架结构具有较好的延性和抗震性能, 延性结构能够大量吸收地震产生的能量, 用结构的变形来消耗能量, 保证结构不产生突然崩塌由于它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁, 其总体水平位移上大下小, 但相对于各楼层而言, 层间变形上小下大, 设计时如何合理控制框架的抗侧刚度及结构 6

此结构充分考虑了压杆稳定和拉杆不易失稳的构件特性, 结构能获得较大的刚度, 且抗扭转能力大大提高但是这种结构的缺陷是 : 结构刚度大, 自振周期短,

8 侧移为重要因素图 1-1 方案 1 2 立体支撑框架体系( 图 1-2), 为提高材料的利用率, 增强结构的抗弯能力, 可在层间设置斜撑形成立体支撑框架体系, 此体系的特点是水平荷载作用下, 斜撑受拉 ( 压 ), 下部柱受压, 水平荷载由斜撑轴向力的水平分量抵消为节约材料, 常将斜撑设计为只能承拉的拉杆此结构充分考虑了压杆稳定和拉杆不易失稳的构件特性, 结构能获得较大的刚度, 且抗扭转能力大大提高但是这种结构的缺陷是 : 结构刚度大, 自振周期短, 靠近地震波的卓越频率, 地震响应大斜撑轴向力的竖直分量使柱压力大大增加, 为保证压杆的稳定性和结构的整体性, 柱截面将大大增加, 设计时如何保证柱的稳定成为关键因素图 1-2 方案 2 7

3 框筒体系(( 图 1-3), 它由密排柱和墙下裙梁组成, 框筒结构相当于开窗洞的筒体在高层建筑中, 特别是超高层建筑中, 水平荷载愈来愈大, 起着控制作用, 而筒体结构便是抵抗这种水平荷载最有效的结构体系它的受力特点是, 整个建筑犹如一个固定于基础之上的封闭空心的筒式悬臂梁来抵抗水平力但是由于本次设计对结构高度和层高有严格限制, 裙梁不可能做得很强,

9 3 框筒体系(( 图 1-3), 它由密排柱和墙下裙梁组成, 框筒结构相当于开窗洞的筒体在高层建筑中, 特别是超高层建筑中, 水平荷载愈来愈大, 起着控制作用, 而筒体结构便是抵抗这种水平荷载最有效的结构体系它的受力特点是, 整个建筑犹如一个固定于基础之上的封闭空心的筒式悬臂梁来抵抗水平力但是由于本次设计对结构高度和层高有严格限制, 裙梁不可能做得很强, 且为方便每层放置铁块和满足底层门洞内不能设置构件的要求, 柱距难以满足要求, 故本方案不予采用图 1-3 方案 3 4 框架核心筒体系( 图 1-4) 外围是由梁柱构成的框架受力体系, 承受小部分竖向荷载和大部分横向荷载引起的弯矩中间是刚度很大的筒体, 用来承担大部分竖向荷载和横向荷载引起的剪力从受力角度分析, 这个结构体系结构受力特征明确合理, 结构稳定性和承载力都不会有问题, 但是考虑到必须满足楼层有效承载面积, 而内部核心筒面积不计算在内, 不能满足要求, 故本方案舍弃 8

10 图 1-4 方案方案选型通过对赛题进行深入思考与分析, 结合对材料性质的初步了解, 我们将方案锁定在以下两个方向 : 一个是柔性框架体系 ( 方案 1); 一个是立体支撑框架体系 ( 方案 2) 下面将对两个方案进行详细分析 ( 包括两种体系的结构合理性, 创新性, 材料用量, 刚度效果, 可操作性等 ), 最终确定终选方案结构体系的合理性分析建立两种体系的简单计算模型 ( 见下图 1-5 图 1-9), 由于本案例水平荷载起控制作用, 所以只对结构施加水平静荷载, 考察在水平荷载作用下两种体系的内力分布 9

11 图 1-5 方案 1 计算模型图 1-6 方案 1 弯矩图图 1-7 方案 1 轴力图图 1-8 方案 1 剪力图 10

12 图 1-9 方案 2 计算模型图 1-10 方案 2 弯矩图图 1-11 方案 2 轴力图图 1-12 方案 2 剪力图通过对结果的分析发现两个体系各有所长, 在相同的水平荷载作用下, 方案一结构体系柱 ( 梁 ) 端弯矩明显比方案二大, 而方案一结构体系柱轴力明显比方案二小但是考虑到材料抗压比抗弯更经济的特点, 在相同水平静荷载作用下方案二更具优越性由于地震荷载比较复杂, 两个体系抵抗地震荷载的能力通过试验确定 11

1.6.2 进一步选型图 1-13 方案 1 模型加载图图 1-14 方案 2 模型加载图由以上所示两种方案的模型制作成型, 进行加载试验, 结果显示 : 方案 1 在三级加载过程中结构响应小, 由于铁块集中于 3 4 两层,3 层及以上部分在水平振动加载过程中摆动幅度非常小, 水箱中水晃动幅度也较小,

在加载过程中结构响应明显较方案 1 剧烈, 由于斜拉杆的存在结构侧向刚度大, 上部结构随下部地震台一起摆动, 顶部水箱滑动剧烈但是结构稳定性能好, 不会出现方案 1 的结构倾斜的问题,P-delta 效应几乎为零另外通过加载试验, 我们发现方案 1 的柔性体系传感器所测得的地震台面加速度明显较方案 2

13 1.6.2 进一步选型图 1-13 方案 1 模型加载图图 1-14 方案 2 模型加载图由以上所示两种方案的模型制作成型, 进行加载试验, 结果显示 : 方案 1 在三级加载过程中结构响应小, 由于铁块集中于 3 4 两层,3 层及以上部分在水平振动加载过程中摆动幅度非常小, 水箱中水晃动幅度也较小, 抗震性能较好但是由于模型制作误差荷载偏心和材料非线性等因素的影响, 结果在振动过程中, 不可避免的会向一侧倾斜又因为竖向荷载较大 ( 约 30kg) 和模型高宽比大 ( 接近 5), P delta 效应显著, 明显加剧了模型的倾斜, 结果结构经过多次加载由于向一侧倾斜过度而瞬间倒塌方案 2 在加载过程中结构响应明显较方案 1 剧烈, 由于斜拉杆的存在结构侧向刚度大, 上部结构随下部地震台一起摆动, 顶部水箱滑动剧烈但是结构稳定性能好, 不会出现方案 1 的结构倾斜的问题,P-delta 效应几乎为零另外通过加载试验, 我们发现方案 1 的柔性体系传感器所测得的地震台面加速度明显较方案 2 的刚性体系大由于最终评分与地震台所测加速度线性相关, 在这一点上方案 1 无疑优于方案模型材料用量和可操作性分析通过初步加载试验发现, 方案 1 柱截面明显较方案 2 大, 但是方案 2 需要加斜向支撑, 综合起来, 两种结构体系的材料用量差别不明显在方案的施工可操作性方面, 为保证方案 1 中结构尽可能小的偏心, 明显的拼装是 12

关键, 所以方案 1 的稳定性与施工存在非常重要的关系, 这个模型的制作对施工要求较高方案 2 施工质量较容易得到保证所以在施工的可操作性上方案 1 优于方案 2 1.6.

14 关键, 所以方案 1 的稳定性与施工存在非常重要的关系, 这个模型的制作对施工要求较高方案 2 施工质量较容易得到保证所以在施工的可操作性上方案 1 优于方案方案确定结构体系的合理性两种方案各有千秋, 结构材料用量基本相当, 刚度效果施工的可操作性结构的安全性方案 2 优于方案 1, 但是与得分线性相关的地震台加速度方案 1 优势明显经过多次的验算与加载试验, 我们决定综合两种方案的优点, 采用底部相对柔上部相对刚的地框架 ---- 支撑体系, 既保证了结构的安全性和施工的可操作性, 又降低了结构的地震响应, 获得了较大的台面加速度为了避免在底部出现变形集中, 产生过大位移而严重破坏, 我们通过放大底部柱截面来保证结构的稳定性图 1-15 最终方案模型图 13

15 模型效果图 14

16 1.6.5 方案的改进深化与完善竖向荷载的选择与调整竖向荷载越大, 结构在地震荷载作用下构件内力也将增大, 但是考虑到最终得分与荷载大小和荷载所在高度线性相关, 但是在截面形式相同的情况下 ( 如箱型 ) 构件抗拉压承载力和材料用量线性相关, 抗弯能力和材料用量 2 次方线性相关, 构件刚度和材料用量 3 次方线性相关, 所以我们应该在满足各楼层有效承载面积和总承载面积的情况下, 尽可能多将荷载布置在上部楼层并且使上部楼层尽可能高各楼层竖向荷载大小和楼层高度见图 1-16, 铁块具体布置方式见计算书第二篇方案图图 1-15 图 1-16 竖向荷载分布图 15

17 构件截面的选择与优化箱型截面具有较大的抗弯刚度和较好的抗扭性能, 节点连接安全可靠, 成为压弯构件 ( 梁柱 ) 的首选根据单个构件的受力特点, 我们做了一些调整基于我们竖向荷载的布置方式和结构体系的特点,2-4 层柱主要承受轴向压力, 且由上至下轴力逐渐增大, 底部柱不仅承受最大的压力, 还需要承担上部斜拉支撑构件传递下来的水平荷载, 所需构件截面尺寸较上部大, 为此我们设计了变截面箱型截面达到合理利用材料的目的顶层由于水箱荷载很小, 我们决定柱子分两段制作, 下部变截面箱型 (0.55mm 厚竹片 ), 上部箱型 (0.35mm 厚竹片 ), 以达到进一步节约材料用量的目的等截面箱形柱变截面箱形柱图 1-17 柱截面优化二层梁由于承受荷载较小, 不需要做成箱型, 我们开始设计为 T 字形截面, 但是在模型制作和加载试验过程中发现, 由于材料很薄,T 形梁容易局部失稳, 且抗扭能力极差, 为此我们做了改进, 选择利用 0.35mm 的竹片制作三角形截面的梁, 不仅解决了 T 形梁的上述缺点, 也进一步节省了材料用量 0.55mm 厚竹片 0.35mm 厚竹片图 1-18 二层梁截面优化 16

铁块与楼面的固定方式改进竖向荷载通过附加铁块施加, 铁块通过热熔胶固定于楼面构件上由于单个铁块尺寸偏小,

收到了不错的效果但是编制柱网要消耗不少的材料, 使模型重量上升为此, 我们通过不断探索和尝试,

然后把上述整体铁块直接固定于边缘梁上面, 这样不仅节约了编织竹网需要消耗的材料,

铁块固定方式优化通过上述铁块与楼面固定方式的改进, 我们经过进一步的思考和尝试, 发现三层 4

18 铁块与楼面的固定方式改进竖向荷载通过附加铁块施加, 铁块通过热熔胶固定于楼面构件上由于单个铁块尺寸偏小, 很难直接固定在边缘梁构件上, 所以一开始我们想到了在每个楼层处用竹片编制交叉的网, 将铁块搁置在竹网楼面上, 收到了不错的效果但是编制柱网要消耗不少的材料, 使模型重量上升为此, 我们通过不断探索和尝试, 最终想出来了一个一举两得的做法铁块在加载前先通过热熔胶固定成一个整体 ( 相当于一个钢块 ), 然后把上述整体铁块直接固定于边缘梁上面, 这样不仅节约了编织竹网需要消耗的材料, 而且通过热熔胶形成整体的铁块和边缘梁牢固后, 铁块和梁共同工作, 对梁有加强作用图 1-19 铁块固定方式优化通过上述铁块与楼面固定方式的改进, 我们经过进一步的思考和尝试, 发现三层 4 个大铁块通过热熔胶形成整体后具有很好的整体性和很大的刚度, 且铁块一端距离柱很近, 这样我们可以考虑在柱端伸出柱帽, 将铁块直接固定于柱帽经过试验, 这样的做法是合理的, 不仅使楼层整体性更好, 也进一步节约了材料的用量边缘梁柱帽图 1-20 三层铁块布置方式优化 17

1-21 右边所示, 结构同样获得了较大的刚度, 且不会带来扭转的问题这样的布置方式不仅节约了材料用量, 同时整个结构看上去更加简洁明了, 具有建筑的美感在张拉支撑杆件过程中, 我们并没有施加预应力, 而是是杆件处于自然绷紧状态, 这样在加载竖向荷载后,

19 斜拉支撑杆件的布置优化按照常规思维, 我们一开始在结构的每个面都对称布置了交叉的斜拉支撑杆件, 但是很快我们发现这种布置方式带来了两个问题, 其一是交叉的斜拉支撑杆件是结构每个面的净空大大减小, 我们很难按照前述的方式去固定铁块, 但是我们又不想放弃前述铁块布置方式带来的优点 ; 其二是这种交叉斜拉支撑杆件布置方式使结构看上去给人一种复杂甚至紧张的心理感受, 不够简洁明了为此我们积极思考, 在不给结构带来任何副作用的前提下尝试在每个立面拆掉一根支撑构件, 最终杆件布置方式如图 1-21 右边所示, 结构同样获得了较大的刚度, 且不会带来扭转的问题这样的布置方式不仅节约了材料用量, 同时整个结构看上去更加简洁明了, 具有建筑的美感在张拉支撑杆件过程中, 我们并没有施加预应力, 而是是杆件处于自然绷紧状态, 这样在加载竖向荷载后, 这些杆件会立即微松, 使结构处于相对较柔状态, 降低地震响应, 但是当层间位移超限时, 拉杆立即绷紧, 限制层间位移, 不会使结构位移进一步增加带来过大的 P delta 效应甚至结构倒塌理论分析和加载试验均显示, 这样的布置方式是合理科学的图 1-21 斜拉支撑杆件布置优化 18

节点及支座的连接改进开始为了模型制作方便, 杆件与杆件的连接比较粗糙, 尤其是竖向柱和水平梁杆的连接,

为此我们精心设计了节点来连接梁和柱, 改进后的梁柱连接方式使梁柱粘接面积大大增加, 节点连接可靠安全

502 的强胶结性能, 于是我们就做出了很简单的连接基座经过实验发现, 结构在水平荷载作用下,

20 节点及支座的连接改进开始为了模型制作方便, 杆件与杆件的连接比较粗糙, 尤其是竖向柱和水平梁杆的连接, 采用的是直接将梁端部粘接到柱的表面的方法, 由于构件接触面积小等原因构件之间的连接强度不够, 为此我们精心设计了节点来连接梁和柱, 改进后的梁柱连接方式使梁柱粘接面积大大增加, 节点连接可靠安全梁端部构造图 1-22 梁柱节点优化模型制作之初, 我们通过软件的计算得知基座剪力不是特别大, 加上 502 的强胶结性能, 于是我们就做出了很简单的连接基座经过实验发现, 结构在水平荷载作用下, 柱端和地板容易脱落于是我们通过在柱脚处又加了小三角片, 使柱脚和底板的连接更为牢固, 这样也增强了柱子底部的抗弯强度, 一举两得 19

为此, 我们经过一番思考和不断尝试自制了模具模具为多根长度为 10mm 左右的短箱梁, 截面尺寸 10mm*10mm 这些模具的使用大大提高了主梁制作的效率和质量胶水的使用 502

21 图 1-23 支座改进 1.7 制作心得模具的使用经过三个月的制作尝试, 我们取得了许多模型制作的经验和心得, 以下介绍最具代表性的二项 : 结构中有多种箱型构件, 由于其截面小长度大, 保证其做工质量具有很高的难度为此, 我们经过一番思考和不断尝试自制了模具模具为多根长度为 10mm 左右的短箱梁, 截面尺寸 10mm*10mm 这些模具的使用大大提高了主梁制作的效率和质量胶水的使用 502 胶水的使用很有讲究首先, 点胶的速度要快, 如果速度稍慢的话 502 胶水就会跟空气中的水反应而凝结, 影响粘接强度其次,502 胶水不能滴得太多, 多了反而会粘不牢, 而且会大大增加结构的重量另外, 为了保证滴胶的快速均匀, 我们利用 0.55mm 厚的竹片削出了小竹签, 用它点胶在提高效率的同时做到了均匀整洁, 而且还不用担心 502 胶水粘手 20

22 第二篇模型加工图 21

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35 第三篇计算书 34

36 我们根据最终结构模型运用 Midas/Gen 有限元软件行了计算分析以下从几个方面进行说明 : 3.1 计算模型模型简化由于计算机模拟分析的局限性, 我们根据实际比赛结构模型做一定的简化得出计算模型如下图所示 ( 图 3-1): 计算模型侧视图计算模型轴测图图 3-1 计算模型 35

37 3.1.2 模型假定 1) 受力构件组成 : 框架 + 柔性拉索支撑 2) 模型假定 : 柱端与底板按刚接处理 ; 梁柱节点按刚接处理 ; 柔性支撑拉条与柱按铰接处理 ; 柔性支撑拉条只能承受拉力不能承受压力 ; 不考虑上部水箱的减震作用, 仅作为安全储备 ; 三层柱冒铁块组合梁等效为和柱冒等截面箱型梁顶层水箱等效为和顶部柱等截面箱型梁 3) 模型计算单元框架结构材料采用 0.55mm 厚的竹片, 按箱形截面梁单元定义 ; 柔性拉条材料采用竹片, 按矩形截面只受拉桁架单元定义 ; 各材料在 sap2000 中设定的参数见下表 : 竹材厚度弹性模量 (MPa) 极限拉 / 压应力 (N/mm2) 0.50mm / mm /60 表 3-1 材料性能参各计算单元在 sap2000 中设定的参数见下表 : 框架单元名称杆件材料厚度 (mm) 截面类型 (mm) 变截面柱 x12 8x8 箱型截面顶部柱 x8 箱型截面二层梁 x8 箱型截面三层梁 x10 箱型截面 36

四层梁 0.50 8x8 箱型截面顶层梁 0.35 8x8 箱型截面桁架单元名称 2 层柔性支撑 0.50 0.55x8 矩形截面 3 层柔性支撑 0.

2 荷载分析根据题目要求和荷载分布情况, 将荷载做如下等效将二三层静荷载及顶层水箱直接简化为节点荷载, 施加在相应楼层梁柱节点处

38 四层梁 x8 箱型截面顶层梁 x8 箱型截面桁架单元名称 2 层柔性支撑 x8 矩形截面 3 层柔性支撑 x8 矩形截面表 3-2 计算单元参数第五届全国大学生结构设计竞赛 3.2 荷载分析根据题目要求和荷载分布情况, 将荷载做如下等效将二三层静荷载及顶层水箱直接简化为节点荷载, 施加在相应楼层梁柱节点处四层竖向静荷载等效为梁线均布荷载由竞赛题目可知结构需要进行地震荷载的加载, 即通过振动台单方向进行三级水平振动加载根据加载设备输入电压和地震波数据采样频率获得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波三级水平加载时程曲线见下图图 3-2 第一级加载时程曲线 37

图 3-3 第二级加载时程曲线图 3-4 第三级加载时程曲线 3.3 振型分析根据前面的分析, 我们将计算模型导入 Midas/Gen 软件进行了模拟计算, 得到结构的各阶振型和相关参数模态号特征值分析振型参与质量频率周期 TRAN-X TRAN-Y (rad/sec) (cycle/sec) (sec) 质量 (%) 合计 (%) 质量 (%) 合计 (%) 1 12.

39 图 3-3 第二级加载时程曲线图 3-4 第三级加载时程曲线 3.3 振型分析根据前面的分析, 我们将计算模型导入 Midas/Gen 软件进行了模拟计算, 得到结构的各阶振型和相关参数模态号特征值分析振型参与质量频率周期 TRAN-X TRAN-Y (rad/sec) (cycle/sec) (sec) 质量 (%) 合计 (%) 质量 (%) 合计 (%) 从特征值分析可看出, 结构前三阶周期较大, 大于地震波的卓越频率, 结构响应处于反应谱的下降段, 与设计理念相吻合同时从振型参与质量分析可知, 结构以前两阶模态响应为主, 其水平方向振型参与质量已经大于 99%, 其它各阶模态响应可以忽略 38

40 图 3-5 一阶模态变形图图 3-6 二阶模态变形图图 3-7 三阶模态变形图图 3-8 四阶模态变形图 39

柔性斜撑由于加载后梁柱变形处于松弛状态, 在此工况下基本上不受力由梁柱的应力云图知, 此工况下梁柱最大应力为 23Mpa 左右,

41 3.4 内力分析根据前面的分析, 我们将计算模型导入 Midas/Gen 软件进行了模拟计算, 得到结构的内力, 现从以下三种工况进行阐述 : 工况一 : 竖向静荷载分析可知, 在竖向静载作用下结构的竖向杆件主要承受轴力, 梁 ( 特别是四层梁 ) 主要承受弯矩柔性斜撑由于加载后梁柱变形处于松弛状态, 在此工况下基本上不受力由梁柱的应力云图知, 此工况下梁柱最大应力为 23Mpa 左右, 发生在四层梁跨中, 远远低于竹材的极限抗拉 ( 压 ) 强度, 所以在竖向静荷载工况下结构是安全的图 3-9 竖向静荷载下梁柱轴力图图 3-10 竖向静荷载下梁柱弯矩图 40

42 图 3-11 竖向静荷载下梁柱应力云图图 3-12 竖向静荷载下斜拉的应力云图 41

43 3.4.2 工况二 : 第一级水平加载从有限元分析结果知, 在第一级水平荷载下, 柱端轴力和弯矩值都大幅度提高, 相应柱端应力也增加到 40Mpa 左右, 斜撑构件由松弛状态转为拉紧状态, 但是应力较小为 11Mpa 左右, 从顶层位移时程曲线知最大位移很小为 1cm 左右, 结构振动响应较小图 3-8 第一级水平加载峰值轴力图图 3-9 第一级水平加载峰值弯矩图 42

$\ 图 3-10 第一级水平加载梁柱峰值应力云图$

44 \ 图 3-10 第一级水平加载梁柱峰值应力云图图 3-11 第一级水平加载斜拉峰值应力云图 43

45 图 3-12 第一级水平加载顶层位移时程曲线工况二 : 第二级水平加载从有限元分析结果知, 在第二级水平荷载下, 柱端轴力和弯矩值进一步提高, 相应柱端应力也增加到 50Mpa 左右, 斜撑构件应力为 18Mpa 左右, 从顶层位移时程曲线知结构顶部位移很小为 1.4cm 左右, 结构振动响应不大 44

46 图 3-13 第二级水平加载峰值轴力图图 3-14 第二级水平加载峰值弯矩图 45

47 图 3-15 第二级水平加载梁柱峰值应力云图图 3-16 第二级水平加载斜拉峰值应力云图图 3-18 第二级水平加载柱底应力时程曲线 46

48 图 3-17 第二级水平加载顶层位移时程曲线工况三 : 第三级水平加载从有限元分析结果知, 在第三级水平荷载下, 柱端轴力和弯矩值进一步提高, 相应柱端应力也增加到 56Mpa 左右, 接近强度极限, 但是考虑到三角形柱脚的加劲左右, 底部柱式安全同时斜撑构件应力为 17Mpa 左右, 有足够的安全储备从顶层位移时程曲线知结构顶部位移为 1.7cm 左右, 结构振动响应不算太大 47

49 图 3-18 第三级水平加载峰值轴力图图 3-19 第三级水平加载峰值弯矩图 48

50 图 3-20 第三级水平加载梁柱峰值应力云图图 3-21 第三级水平加载斜拉峰值应力云图 49

51 图 3-22 第三级水平加载顶层位移时程曲线以上计算结果表明各构件的强度刚度稳定性都满足设计要求所以此设计是合理可行的参考文献 : [1] 建筑结构荷载规范. 北京 : 中国建筑工业出版社,2006. [2] 建筑抗震设计规范. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010. [3] 高层建筑结构设计. 北京 : 冶金工业出版社, [4] 建筑概念设计与选型. 北京 : 机械工业出版社,

计算书

第五届全国大学生结构设计竞赛计算书参赛学校 : 东南大学参赛队伍 : 东南大学二队作品名称 : 摇篮参赛队员 : 董晓鹏刘晶晶陈子斌目录 1 结构选型...1 1.1 设计思路...1 1.2 方案演化...3 1.3 最终方案...5 2 结构建模及主要计算参数...7 2.1 有限元模型的建立...7 2.2 荷载布置...7 2.3 分析假定...8 2.4 水平地震荷载计算...9

目录 目录... 1 前言... 2 第一篇设计说明 问题背景描述 主要信息反馈 问题难点 结构设计目标 方案构思及初步选型 方案选型 制作心得 第二篇方案图.

目录目录... 1 前言... 2 第一篇设计说明问题背景描述主要信息反馈问题难点结构设计目标方案构思及初步选型方案选型制作心得第二篇方案图.