廣東省第一屆結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽 計算書(深大版)

1、2013年第一屆廣東省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書深圳大學(xué)2隊指導(dǎo)老師：王剛，蘇棟，陳賢川“芳竹隊”成員：邱文浩，林芳竹，宋自強前言第一屆廣東省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的作品“芳竹”采用以柔克剛，剛?cè)峤Y(jié)合的理念設(shè)計，整個設(shè)計構(gòu)思與優(yōu)化共歷時1個多月。其中，我們從最初比例化廣州塔的外筒形式的方案到簡約傳統(tǒng)方案，到優(yōu)化后的方案，做了比例與標(biāo)準(zhǔn)模型共6個，進行各種試驗改造10多次，通過一套科學(xué)的分析方法確定了我們最終的模型“芳竹”。最終模型采用了簡約的四邊形的框架結(jié)構(gòu)，共三層。我們運用SAP2000軟件加入地震荷載得到其結(jié)構(gòu)自振周期，同時導(dǎo)入大賽采用的地震波數(shù)據(jù)模擬其地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。綜合考慮后，我們采用

2、首層偏柔設(shè)計，采用偏心支撐，梁上的支撐點設(shè)在距梁端1/3處，交叉設(shè)置；中間層偏剛設(shè)計，采用中性十字斜撐，支撐點在柱梁交接處；頂層同樣采用中性十字斜撐方式，但斜撐截面較中間層小。柱腳加固為用封閉的三棱柱加固，以確保柱子與底板固結(jié)不破壞。通過加載，觀察底層位移較大，但是在合理的范圍之內(nèi)，且我們對底層柱子進行外包箍處理，避免發(fā)生局部失穩(wěn)破壞，中間層及頂層層間位移較小，達到我們預(yù)期的效果。根據(jù)競賽規(guī)則和地震波的特征，需要合理安排頂部的荷載，通過試驗，本結(jié)構(gòu)模型可承受30kg的荷載，能成功抵抗競賽給定的各級地震作用?？紤]材料的離散性和制作工藝的誤差， “芳竹”的自重約為100g左右。本作品從最初的材料探

3、索到最終方案的確定，離不開各位同學(xué)們和老師們的熱心幫助和指導(dǎo)，希望能夠得到各位評委們的認可。 “芳竹”組結(jié)構(gòu)組全體成員2013年5月20日目錄前言2一設(shè)計說明41.設(shè)計簡介42.材料性能分析4（1）竹皮4（2）膠水4（3）熱熔膠4二結(jié)構(gòu)選型51.地震波分析52.結(jié)構(gòu)構(gòu)思63.結(jié)構(gòu)方案確定7三結(jié)構(gòu)建模與受荷分析81材料試驗8（1）模型自振周期測定8（2）單根桿件穩(wěn)定臨界荷載測試與結(jié)構(gòu)層數(shù)確定9（3）其它材料性能92.受荷分析9（1）建模參數(shù)確定及有限元模型10（2）豎向荷載作用效應(yīng)10（3）地震荷載作用效應(yīng)及變形11（4）荷載組合效應(yīng)11（5）承載力校核12四節(jié)點構(gòu)造12五模型加工圖及材料表13

4、1.模型三視圖132.構(gòu)件尺寸143.構(gòu)件材料表15結(jié)語16參考文獻16一設(shè)計說明1.設(shè)計簡介第一屆廣東省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽要求用統(tǒng)一規(guī)定類型的竹制材料和502膠水制作頂部集中質(zhì)量模擬水塔結(jié)構(gòu)。根據(jù)大賽要求，在設(shè)計過程中，我組考慮了模型的剛度、質(zhì)量、自振頻率、地震響應(yīng)等內(nèi)容。除了使結(jié)構(gòu)能夠承受地震荷載之外，還考慮了模型的實際使用性能以及外觀。根據(jù)賽題要求，本組進行了一系列緊張有序的試驗探索分析：首先對材料的性能進行了分析，并測定了竹制模型的自振頻率，盡可能地避開共振區(qū)域，遵循高層建筑抗震設(shè)計原則“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”，并運用概念設(shè)計制作初步模型，通過一系列的實驗與計算，選取出合理

5、的結(jié)構(gòu)模型，最終形成了計算說明書。2.材料性能分析（1）竹皮本次競賽中使用的竹材均為本色復(fù)壓竹皮，有三種規(guī)格：12504300.50mm、12504300.35mm 和12504300.20mm，竹材有順紋與橫紋之分，它的順紋力學(xué)性能較好，抗拉強度達到60MPa，而竹材的抗折和抗剪能力較差；另外，它的橫紋力學(xué)性能則較差。在設(shè)計與制作過程中，我們應(yīng)充分利用竹材順紋的拉壓性能，在主要受力方向采用順紋，同時盡量減小對竹纖維的破壞。與其它材料相比，竹材的延性較好，故我們在設(shè)計時也做了充分的考慮。（2）膠水大賽規(guī)定使用502膠水用于模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接，涂膠的用量與質(zhì)量直接影響整個結(jié)構(gòu)的性能。由于50

6、2膠水很脆，如果大量涂抹在竹片上會影響竹片的延性并且增加了質(zhì)量，也會影響交接處的粘接。因此涂膠時應(yīng)做到少量、均勻。另外，502膠水的揮發(fā)性和腐蝕性較強，使用時要小心，涂膠之后應(yīng)馬上粘貼，否則粘結(jié)強度將會受到嚴(yán)重影響。（3）熱熔膠 熱熔膠用于頂層鐵箱與模型的固定，根據(jù)大賽要求，頂層鐵箱脫落屬于結(jié)構(gòu)破壞，故研究熱熔膠的粘貼性能意義重大。根據(jù)我組的實驗，熱熔膠與竹材、水箱的粘結(jié)效果較好，但與鐵塊的粘結(jié)效果較差，在模型制作中，我組特地采取構(gòu)造措施加強鐵塊與模型的連接。二結(jié)構(gòu)選型1.地震波分析根據(jù)大賽要求，競賽模型為頂部集中質(zhì)量模擬水塔結(jié)構(gòu)模型，采用竹質(zhì)材料制作，故結(jié)構(gòu)不僅要能夠承受豎向荷載，而且還要能

7、夠通過二級地震波的加載。本大賽對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案提供了很大的選擇空間。為了進行更好地選擇，我們研究了本次大賽所給的地震波,如圖1-1-1，經(jīng)過分析，我們可得到以下的地震頻率和地震時程圖，如圖1-1-2及圖1-1-3。圖1-1-1 競賽加載所用的基準(zhǔn)輸入波圖1-1-2 地震波反應(yīng)譜曲線圖1-1-3 地震時程圖對地震波頻率分布圖（圖1-1-2）分析可知，其共振的周期約為0.2s到0.3s，為了使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)避開共振頻率所在的周期，結(jié)構(gòu)可設(shè)計成剛性結(jié)構(gòu)或者柔性結(jié)構(gòu)。對于剛性結(jié)構(gòu)，為避免產(chǎn)生共振頻率，其設(shè)計的結(jié)構(gòu)的剛性需要很強，然而對于本次大賽而言，因為受限于材料和比賽分數(shù)，難以實現(xiàn)。于是，我們選擇了偏柔

8、性設(shè)計，對于柔性設(shè)計，當(dāng)自振周期在0.6s左右的小范圍內(nèi)時，其可有效地降低地震作用對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，達到很好的抗震效果。我們對時程圖（圖1-1-3）進行分析可知，在10-35s內(nèi)，地震臺加速度較大，而 35s以后地震臺加速度較小，對結(jié)構(gòu)影響不大，我們的結(jié)構(gòu)若能在10-35s內(nèi)結(jié)構(gòu)不破壞，基本可以承受此次地震波的作用。2.結(jié)構(gòu)構(gòu)思在保證結(jié)構(gòu)的強度，剛度和穩(wěn)定性的前提下，為了使設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以避開地震的共振周期，我們嘗試以下兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)思。1） 結(jié)構(gòu)追求簡約并且受力清晰的結(jié)構(gòu)形式，能夠盡可能的發(fā)揮材料性能；并且結(jié)構(gòu)設(shè)計需要剛?cè)岵?，相互作用，在減輕自重的同時，保證其承載能力和抗震能力。2） 在基本結(jié)構(gòu)

9、上采用一些減震耗能構(gòu)造或者隔震措施，減少頂部加速度。3.結(jié)構(gòu)方案確定為了確定更好的方案，我們仔細研究了第五屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽，經(jīng)過分析，如圖1-2-1，主要的破壞形式有3種，一是底層柱子或柱腳承載力不足或失穩(wěn)發(fā)生破壞，二是整體受扭發(fā)生失穩(wěn)破壞，三是局部承載力不足發(fā)生破壞。為了更好地研究模型的實際受力情況，我們做了以下幾種方案的設(shè)計，以確定最終方案。方案模型圖片模型說明質(zhì)量1本方案選取結(jié)構(gòu)形式為圓柱型，考慮廣州塔的斜桿可以均勻承受地震力的作用，因此模仿廣州塔的外筒做了一個模型。然而制作完畢后，我們發(fā)現(xiàn)該模型的整體偏柔，在地震作用下表現(xiàn)較好。由于豎向承載力小，該模型無法承受10Kg，因此

10、遠不能達到預(yù)期效果，并且編織法制作難度大。考慮到本次比賽的評分標(biāo)準(zhǔn)，用這種結(jié)構(gòu)方式來實現(xiàn)“通過增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量提升承載力”的想法，從而降低頂部加速度以提高得分的效果并不明顯，并且在短時間內(nèi)難以保證模型的制作質(zhì)量，因此我們決定舍棄此方案。72g2本方案選取結(jié)構(gòu)形式為四邊形柱梁結(jié)構(gòu)，同時加上斜拉條。由于四邊形體系的柱子豎向剛度較大，模型能承受較大的豎向荷載（P30Kg），以及彎矩和剪力的作用。模型是對稱結(jié)構(gòu)，在受荷及震動的工況下穩(wěn)定性較好，且具有傳力路徑明確、高效、質(zhì)輕的優(yōu)勢。另外，從模型制作的角度來看，我們考慮到采用單純的竹材較難實現(xiàn)復(fù)雜的節(jié)點形式制作以及預(yù)應(yīng)力施加，此結(jié)構(gòu)形式簡約且受力明確，結(jié)構(gòu)構(gòu)

11、件便于制作與拼接，且能在大賽規(guī)定模型制作時間內(nèi)完成。但這種模型在地震作用下頂部加速度較大，因此需要對它進行一定的耗能減震優(yōu)化。164g3本方案在方案2的基礎(chǔ)上，在頂層加上一個阻尼器，以減少頂部的加速度。通過實驗，這種方式對頂部加速度減少不明顯，反而增了它的質(zhì)量。考慮到大賽評分的標(biāo)準(zhǔn)，此種方案并不能很好地發(fā)揮到它的作用，同時，阻尼器往往是最先破壞的地方，不能達到我們預(yù)期的效果。185g4本方案在方案2的基礎(chǔ)上，進行了整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，為了使結(jié)構(gòu)柔性增加，我們采用了偏心支撐，考慮到梁的剛度不大，如果偏心太大導(dǎo)致梁受到的彎矩比較大，梁無法承受，我們需要合理安排斜拉條與梁的交接點。在靜載下，我們用了30

12、kg作為實驗荷載，結(jié)構(gòu)在此荷載下幾乎不變形，可以承受豎向荷載。在地震作用下，在高頻作用下，即每秒來回23次，此結(jié)構(gòu)能夠承受30kg的砝碼，梁的變形較大，結(jié)構(gòu)比較柔，同時整體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的扭矩；在低頻作用下，每秒來回1次，此結(jié)構(gòu)在中間層梁上剪斷。115g5本方案在方案2與方案4取折中方案，加強第一層柱子剛度，調(diào)整首層偏心支撐的斜拉條與梁的交接點的位置，同時中間層與頂層使用十字撐。此模型對第一層梁節(jié)點和柱子制造要求較高，此模型經(jīng)過加載后，能夠承受大賽各個地震工況的作用。經(jīng)過小組討論后，此方案作為我們參賽的最終方案。105g因此，我們的最終方案如下圖所示（圖3-1-1）。立體圖正視圖與側(cè)視圖俯視圖

13、三結(jié)構(gòu)建模與受荷分析模型是通過SAP2000軟件和近似算法結(jié)合進行結(jié)構(gòu)分析，因模型分析可能會與實際情況有誤差，故我們采用實驗實測與結(jié)構(gòu)建模結(jié)合的方法來確定各項建模參數(shù)。1結(jié)構(gòu)建模及主要計算參數(shù)（1）模型自振周期測定我們主要采用了兩種方法測定自振周期，分別是估算法與能量法測定；估算法流程：1）將結(jié)構(gòu)底板固定在推車上，在模型頂部加上相應(yīng)的砝碼荷載； 2）用秒表計時，以5個自振周期為一個計時周期； 3）替換其它的砝碼荷載，再重復(fù)測驗；結(jié)果如下表3-1： 估算法測自振周期實驗數(shù)據(jù)表 表3-1-1 砝碼荷載（kg）計時周期（s）平均自振周期（s）253.320.66427.53.150.630303.0

14、20.604由上述的結(jié)果我們可以推算模型的自振周期大概在0.6s左右，相對于地震波的反應(yīng)譜，0.6s的地震作用效應(yīng)較小，能較好的避開地震的共振區(qū)。能量法流程：1）對模型施加一個水平的荷載，測出頂部側(cè)移值； 2）逐步施加荷載，并記下每個荷載對應(yīng)的側(cè)移值；結(jié)果如下表3-1-2：能量法測的自振周期實驗數(shù)據(jù)表 表3-1-2 荷載（kg）頂部側(cè)移（mm）自振周期（s）6.125110.21011.25230.304因為用此靜載方法測自振周期時拉條整體繃緊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工作形式與實際情況不符，偏剛性，故我們自振周期采用估算法數(shù)值。（2）單根桿件穩(wěn)定臨界荷載測試與結(jié)構(gòu)層數(shù)確定測試方法是用夾具固定好桿件兩端，對桿

15、件逐步施加軸向力，得出大概的試驗數(shù)據(jù)。其中，我們采用的是80088mm3的箱形截面試件，得到它的防止失穩(wěn)的臨界荷載為1.25kg至2.5kg。由于立柱強度的強度承載力明顯比穩(wěn)定承載力要小，故結(jié)構(gòu)的極限荷載由穩(wěn)定承載力控制。綜合對結(jié)構(gòu)強度，剛度與整體穩(wěn)定性 的考慮，我們對整個結(jié)構(gòu)分三層，以此根據(jù)壓桿穩(wěn)定歐拉公式最終得到單根立柱的穩(wěn)定承載力約為11.25 kg至22.5kg，完全能滿足豎向承載力要求。（3）其它材料性能由于本屆大賽所采用的材料與全國第五屆結(jié)構(gòu)模型大賽所用的材料一樣，出于便捷考慮，我們參考了全國大賽的多個小組的實驗情況，確定了我們材料與各種截面的力學(xué)性能。材料性能：彈性模量：1104

16、MPa；抗拉強度：60MPa；參考抗壓強度（厚皮）：23.16MPa柱子截面采用88mm的箱形截面，均用一層厚皮制作，忽略膠水貢獻，腹板與翼緣厚度均為0.5mm，其參考抗壓承載力為N=370N?！?】因竹材抗壓強度較抗拉強度低，故可近似理解立柱彎曲臨界狀態(tài)為翼緣竹材受壓破壞，其破壞時的彎矩為M=23.1680.57.5=694.8Nmm梁截面采用55mm與58mm的箱形截面，均用一層中厚皮制作，忽略膠水貢獻，腹板與翼緣厚度均為0.35mm，抗壓承載力121N，滿足承載力要求?！?-5】2.受荷分析 受荷分析采用手算與電算結(jié)合的方式來進行，先根據(jù)上表測得的自振周期與前地震波反應(yīng)譜分析圖確定地震等

17、效影響系數(shù)，然后根據(jù)底部剪力法確定等效的水平地震力。最后，通過結(jié)構(gòu)建模，導(dǎo)入水平地震荷載與豎向荷載，得出具體的內(nèi)力圖，并進行承載力校核。（1）建模參數(shù)確定及有限元模型預(yù)設(shè)所加荷載為30kg，由上表3-1可查結(jié)構(gòu)自振周期為：0.604s，根據(jù)圖1-1-2和地震波反應(yīng)譜曲線可得到大震情況下地震影響系數(shù)=0.9，則可得：等效水平地震力為：F=G=0.93010=270N；建模時地震力均勻分布到頂層四個節(jié)點，每個節(jié)點的荷載為：f=270/4=67.5N;因上部為一個鋼箱，可近似看做抗彎剛度無窮大，故豎向荷載也近似認為均布到四個節(jié)點，每個節(jié)點的豎向荷載為：75N由上述數(shù)據(jù)可根據(jù)SAP2000建立結(jié)構(gòu)有限

18、元模型，材料屬性與上表實驗數(shù)據(jù)相同，取彈性模量E=10000MPa，抗拉強度f=60 MPa ，泊松比取0.25，忽略模型自重，構(gòu)件截面按設(shè)計圖設(shè)定，則可得下有限元模型圖（左）和地震作用變形圖（右），如圖3-2-1所示。 圖3-2-1 有限元模型圖（左圖）和地震作用變形圖（右圖）（2）豎向荷載作用效應(yīng)在豎向荷載下，最大軸力為Nmax=-74.50N，最大彎矩為79.38Nmm，具體詳見下圖（圖3-2-2）： 圖3-2-2 豎向荷載下的軸力圖（左圖）與彎矩圖（右圖）（3）地震荷載作用效應(yīng)及變形 在等效水平地震力作用下，軸力最大值為Nmax=-233.29N，最大彎矩為190.04Nmm，具體詳見

19、下圖（圖3-2-3）。 圖3-2-3 等效水平地震力作用下軸力圖（左圖）與彎矩圖（右圖）（4）荷載組合效應(yīng) 最終荷載疊加后，結(jié)構(gòu)最大軸力為Nmax=-307.10N，最大彎矩為220.49Nmm；具體詳見下圖（圖3-2-4）： 圖3-2-3 在豎向荷載與地震作用下同時作用的軸力圖（左圖）與彎矩圖（右圖）（5）承載力校核 由上述的內(nèi)力分析可知，在水平地震力與豎向荷載共同作用下，軸力最大值與彎矩最大值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底層，因Nmax=-307.10N小于立柱抗壓承載力N=370N；而對于彎矩而言，Mmax=220.49Nmm遠小于立柱抗彎承載力M（1），故本結(jié)構(gòu)能通過30kg荷載的加載?！?-5】四節(jié)

20、點構(gòu)造節(jié)點節(jié)點圖說明柱腳節(jié)點 為了防止柱底破壞，柱底截面需要較大的粘結(jié)面，我們采用了閉合的三棱柱擴大柱子與底板的粘接面。為了保證強度并達到較好的效果，參考鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我們采用了底面積與側(cè)面積比例為1:2確定柱腳節(jié)點尺寸。同時，我們采用了底面積與側(cè)面積比例為1:2和1:1兩種方式來試驗，證明了底面積與側(cè)面積比例為1:2的柱腳確實更為堅固。柱與梁的節(jié)點 梁與柱的連接處的接觸面積也要增強，為了保證在2級地震下連接處不破壞，柱子側(cè)面需要局面加強。斜拉條的節(jié)點為了使斜拉條節(jié)點處不受破壞，使用外包一層節(jié)點板以增強它與梁柱的接觸面積，確保節(jié)點處不受破壞。五模型加工圖及材料表1.模型三視圖2.構(gòu)件尺寸圖示說明（柱子）（首層梁）（中間層與頂層梁）（首層斜拉條）選用竹皮厚皮（0.5mm）厚皮（0.5mm）中皮（0.35mm）中皮（0.35mm）尺寸8008817485174553108數(shù)量4488圖示說明（中間層斜拉條）（頂層斜拉條）（柱腳）尺寸3308330510208數(shù)量8883.構(gòu)件材料表編號選用厚度截面尺寸（長*寬）數(shù)量（個）備注柱材料A（柱材料）0.5800*8（820*10）16B（隔板）0.58*824內(nèi)橫撐，首層需加強。C（外包箍）0.232*10（50*10）16