內(nèi)蒙古科技大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)生第三屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題: 帶屋頂水箱的竹質(zhì)多層房屋結(jié)構(gòu)一、競(jìng)賽模型競(jìng)賽模型為多層房屋結(jié)構(gòu)模型，采用竹質(zhì)材料制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。模型包括小振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)、上部多層結(jié)構(gòu)模型和屋頂水箱三個(gè)部分，模型的各層樓面系統(tǒng)承受的荷載由附加鐵塊通過實(shí)現(xiàn)，小振動(dòng)臺(tái)系 統(tǒng)和屋頂水箱由承辦方提供，水箱通過熱熔膠固定于屋頂，多層結(jié)構(gòu)模型由參賽選手制作，并通過螺栓和 竹質(zhì)底板固定于振動(dòng)臺(tái)上，圖1給出了一示意性結(jié)構(gòu)圖。圖1模型示意圖二、模型要求2.1幾何尺寸要求(1)底板：多層結(jié)構(gòu)模型用膠水固定于模型底板上，底板為 33cm x 33cm x 8mm的竹板，底板用螺栓 固定于振動(dòng)臺(tái)上。(2)模型大?。耗Ｐ涂?/p>

2、高度應(yīng)為100cm,允許誤差為土 5mm?？偢叨葹槟Ｐ偷装屙斆嬷廖蓓?(模型頂面) 上表面的垂直距離，但不包括屋頂水箱的高度。模型底面尺寸不得超過 22cm x 22cm的正方形平面，即整個(gè)模型需放置于該正方形平面范圍內(nèi)，模型底面外輪廓與底板邊緣應(yīng)有足夠的距離以保證螺栓能順利緊固。(3)樓層數(shù)：模型必須至少具有 4個(gè)樓層，底板視為模型第一層樓板。除第一層以外，每層樓面范圍 須通過設(shè)置于邊緣的梁予以明確定義。(4)樓層凈高：每個(gè)樓層凈高應(yīng)不小于 22cm。樓層凈高是指該樓層主要橫向構(gòu)件頂部與其相鄰的上一 樓層主要橫向構(gòu)件底部之間的最小距離。若底板上設(shè)置有地梁，則第一層凈高需自地梁頂部開始計(jì)算；若

3、 無(wú)地梁則從底板頂面開始計(jì)算。柱腳加勁肋、隅撐及其他外立面構(gòu)件不影響計(jì)算樓層凈高。(5)使用功能要求：樓層應(yīng)具有足夠的承載剛度，各層空間應(yīng)滿足使用功能要求。在模型內(nèi)部，樓層之間不能設(shè)置任何橫向及空間斜向構(gòu)件。模型底層所有方向的外立面底部正中允許各設(shè)置一個(gè)12cm X12cm(高X寬)的門洞。(6)樓層有效承載面積：樓層范圍為各承重分區(qū)最外圍樓層梁構(gòu)件所包絡(luò)的平面，不包括模型內(nèi)部核心筒區(qū)域。在樓層范圍內(nèi)與樓面構(gòu)件直接接觸的鐵塊的覆蓋面積定義為樓層有效承載面積，模型的總有效承載面積應(yīng)在600cm2至720cm2的范圍之內(nèi)，且每個(gè)樓層的有效承載面積不得小于25 cm2。模型頂面為平面，應(yīng)滿足安全放置

4、水箱的要求。圖2模型立面示意圖(單位：mm)圖3模型底板示意圖(單位：mm)2.2模型及附加鐵塊安裝要求(1)利用熱熔膠將附加鐵塊固定在模型除底層以外的各個(gè)樓層的樓面結(jié)構(gòu)上，可在樓層上設(shè)置固定鐵塊輔助裝置，但輔助裝置和鐵塊不能超出樓層范圍且不能直接跟柱接觸，若輔助裝置或鐵塊與柱子接觸，則該層凈高以接觸點(diǎn)的高度位置開始計(jì)算。(2)提供大、小兩種規(guī)格鐵塊。大鐵塊長(zhǎng)、寬、高約分別為12cm、6cm與3.2cm,重量為1800g。小鐵塊的長(zhǎng)、寬、高約分別為6.0cm、4.5cm與3.2cm,重量為675g。由于加載設(shè)備限制，模型中附加鐵塊總重量不得超過 30kg。(3)模型頂面上應(yīng)放置水箱，且水箱內(nèi)應(yīng)

5、至少注入10cm高的水。水箱尺寸的長(zhǎng)、寬、高為 15.5cm X15.5cm X 25.7cm,容量為4L。模型頂面不能放置鐵塊。(4)模型試驗(yàn)僅在單一水平向施加地震作用，模型的抗側(cè)體系應(yīng)在計(jì)算書中闡述清楚。試驗(yàn)時(shí)模型放置方向按照安裝底板標(biāo)識(shí)(A或B ,如圖3中所示)通過抽簽挑邊確定。三加載設(shè)備介紹結(jié)構(gòu)模型采用 WS-Z30小型精密振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行模擬水平地震作用的加載，考察模型承載力。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的主要組成部分及相關(guān)參數(shù)信息如下（詳情可參見競(jìng)賽材料及設(shè)備介紹附件2）:圖4水平振動(dòng)臺(tái)和激振器圖5功率放大器水平振動(dòng)臺(tái)：型號(hào)：WS-Z30-50指標(biāo)：水平臺(tái)尺寸：506 380 22mm,荷載：30kg

6、,重量：11.5kg,材料：鋁合金 LY12。功能：承載實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。激振器：型?hào)：JZ-50指標(biāo)：工作頻率：0.53000Hz,最大位移：i8mm,激振力：500N ,重量：28kg功能：使水平臺(tái)振動(dòng)。功率放大器： 型號(hào)：GF-500W指標(biāo)：失真度：1%,噪聲： 10mV,輸出阻抗：0.5 R工作頻率： DC10000Hz,輸出電流：25A,輸出電壓：25V,功率：500VA，供電電壓：220VAC,尺寸：44x48x18cm ,重量：18g功能：為激振器提供輸出功率關(guān)于該振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的其它組成部分（控制傳感器、振動(dòng)臺(tái)控制儀、電荷放大器等）的介紹詳見附件2。四、加載與測(cè)量4.1 輸入地震波本次競(jìng)賽

7、采用振動(dòng)臺(tái)單方向加載，通過輸入實(shí)測(cè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)模擬實(shí)際地震作用。振動(dòng)臺(tái)輸入的地震波取自2008汶川地震中什那八角站記錄的 NS方向加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，原始記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間間隔t為0.005s,即數(shù)據(jù)采樣頻率f為200Hz,全部波形時(shí)長(zhǎng)為 205s,峰值加速度581gal。截取原始記錄中第 10s42s區(qū)間 內(nèi)的數(shù)據(jù)，并通過等比例調(diào)整使峰值加速度放大為 1000gal,作為本次競(jìng)賽加載所用的 基準(zhǔn)輸入波，如圖6 所示，其數(shù)據(jù)文件如附件 3所示。1000競(jìng)賽加載所用的基準(zhǔn)輸入波（什那八角記錄 N昉向第10s-42s區(qū)間）時(shí)間/s圖6競(jìng)賽加載所用的 基準(zhǔn)輸入波（32s）4.2 荷載施加方式競(jìng)賽加載共分三級(jí)進(jìn)

8、行。在三級(jí)加載中，通過控制加載設(shè)備輸入電壓和地震波數(shù)據(jù)采樣頻率獲得具有 不同輸出峰值加速度和不同卓越頻率的地震波，以全面檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于不同強(qiáng)度和頻譜成分地震波作用下的 承載能力。加載時(shí)功率放大器的增益（Gala）旋鈕統(tǒng)一調(diào)至90度標(biāo)識(shí)，此時(shí)三級(jí)加載的設(shè)備輸入電壓和數(shù)據(jù) 采樣頻率控制值如下表所示：加載等級(jí)輸入電壓采樣頻率加載時(shí)間、臺(tái)面最大加速度參考值第一級(jí)0.4V200Hz32秒0.353g第二級(jí)0.6V250Hz26秒0.783g第三級(jí)0.7V300Hz21秒1.130g注：上表中的臺(tái)面最大加速度參考值通過連接于加載設(shè)備臺(tái)面的加速度傳感器測(cè)量得到，此時(shí)，振動(dòng)臺(tái)面上的竹模型附加了 24塊小鐵塊，臺(tái)

9、面位移未超限。實(shí)際輸出的臺(tái)面加速度峰值會(huì)因模型結(jié)構(gòu)型式、附加 鐵塊重量及布置方式的不同而存在一定差異。4.3 臺(tái)面振動(dòng)加速度峰值的測(cè)量在對(duì)每個(gè)模型的每一級(jí)加載過程中，都通過傳感器對(duì)臺(tái)面振動(dòng)加速度進(jìn)行實(shí)測(cè)。本次競(jìng)賽采用的加載設(shè)備所允許的臺(tái)面最大位移為i8mm,若一些模型在加載過程中，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面位移超限，致使臺(tái)面與限位裝置撞擊，產(chǎn)生高頻加速度分量，將會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此實(shí)測(cè)的臺(tái)面振動(dòng)加速度將經(jīng)過濾波處理后輸出，設(shè)定加載設(shè)備的濾波限值為低通20Hz。加載過程中，將實(shí)時(shí)顯示該級(jí)加載下臺(tái)面振動(dòng)加速度的峰值I ,用于最終模型效率比的計(jì)算（參見第七項(xiàng)：評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)） 。注：如因臺(tái)面位移超限而引起的結(jié)構(gòu)不良反應(yīng)

10、符合4.4所列情況，均判加載失敗。4.4 模型失效評(píng)判準(zhǔn)則在進(jìn)行加載時(shí)，出現(xiàn)下列 任一情形則判定為模型失效，不能繼續(xù)加載。同時(shí)，將上一個(gè)加載級(jí)別視為該模型實(shí)際所能通過的最高加載級(jí)別，并作為模型效率比計(jì)算的依據(jù)（參見第七項(xiàng)：評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)）。（1）第一級(jí)加載時(shí)： 模型中的任一構(gòu)件出現(xiàn)破壞；（2）第二級(jí)加載時(shí)：模型的主要構(gòu)件一一梁和柱中任一構(gòu)件出現(xiàn)破壞；（3）第三級(jí)加載時(shí)：模型整體或任一樓層發(fā)生坍塌或任一柱腳脫離底板；(4)每一級(jí)加載過程中有鐵塊脫落或水箱飛出。上述失效準(zhǔn)則中的“構(gòu)件破壞”定義為構(gòu)件出現(xiàn)明顯開裂、斷開或者節(jié)點(diǎn)脫開。五、模型材料競(jìng)賽期間，承辦方為各隊(duì)提供如下材料及工具用于模型制作。(1)竹

11、材：用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。有如下兩種規(guī)格：竹材規(guī)格款式1250 >430 >0,50mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮1250 >430>0.35mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮本色側(cè)壓?jiǎn)螌訌?fù)壓竹皮抗拉強(qiáng)度60MPa。1250 >430 >0.20mm竹材力學(xué)性能參考值：彈性模量1.0 x 104MPa ,(2) 502膠水：用于模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接及水箱與模型的固定。(3)熱熔膠：用于鐵塊與模型的固定。(4)模型底板：底板厚度約8mm,長(zhǎng)與寬分別為33cm和33cm。底板上除預(yù)設(shè)孔洞外， 不得另行鉆孔。(5)制作工具：美工刀、鋼尺、砂紙、錘刀、改錐、小型鋸子。另外，承辦方還提

12、供公用的砂輪機(jī)等。六、模型現(xiàn)場(chǎng)安裝、加載及測(cè)試步驟6.1賽前準(zhǔn)備(1)模型稱重：將制作好的模型(不含底板、鐵塊和水箱)稱重(精度 0.1g);(2)將模型安裝在底板上，并將鐵塊固定在模型上，然后：核查每層鐵塊的數(shù)目及覆蓋面積是否與所提交方案吻合，計(jì)算每層承受的附加鐵塊質(zhì)量Wi；統(tǒng)計(jì)水箱中的注水質(zhì)量(Ww)；進(jìn)行高度測(cè)量，測(cè)出每一層所放置鐵塊的最底面至模型底板的垂直高度hi；測(cè)出模型實(shí)際總高度H ;以上高度計(jì)量單位均為cm;根據(jù)式(1)計(jì)算模型等效負(fù)載重量 We：h. HWe=(W/4 Ww) H100(3)得到入場(chǎng)指令后，迅速將模型及底板運(yùn)進(jìn)場(chǎng)內(nèi)，安裝在振動(dòng)臺(tái)上，緊固螺栓，固定水箱，準(zhǔn)備進(jìn) 行

13、加載。賽場(chǎng)內(nèi)安裝時(shí)間不得超過 10分鐘。(4)以上過程由各隊(duì)自行完成，賽會(huì)人員負(fù)責(zé)監(jiān)督、標(biāo)定測(cè)量?jī)x器和記錄。如在此過程中出現(xiàn)模型損 壞，則視為喪失比賽資格。6.2加載及測(cè)試步驟(1)參賽隊(duì)代表進(jìn)行2分鐘陳述，之后評(píng)委提問 2分鐘。(2)依次進(jìn)行三級(jí)加載，每級(jí)加載完成后依據(jù)4.4的失效評(píng)判準(zhǔn)則評(píng)價(jià)模型是否失效。七、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)7.1 總分構(gòu)成結(jié)構(gòu)評(píng)分按總分100分計(jì)算，其中包括：（1）計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖 10%（共10分）（2）結(jié)構(gòu)選型與制作質(zhì)量 10%（共10分）（3）現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)5%（共5分）（4）加載表現(xiàn)評(píng)分75%（共75分）7.2 評(píng)分細(xì)則A.計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖（1）計(jì)算內(nèi)容的完整性（共6分）（2）圖文表達(dá)的清晰性、規(guī)范性（共4分）注：計(jì)算書要求包含：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模及主要計(jì)算參數(shù)、受荷分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、模型加工圖（含材料表）、鐵塊分布詳圖、水箱注水重量。B.結(jié)構(gòu)選型與制作質(zhì)量（1）結(jié)構(gòu)合理性與創(chuàng)新性（共6分）（2）模型制作美觀性（共4分）C.現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)（1）現(xiàn)場(chǎng)陳述（共3分）（2）現(xiàn)場(chǎng)答辯（共2分）D.加載表現(xiàn)評(píng)分本次比賽各組模型在加載環(huán)節(jié)的表現(xiàn)將根據(jù)其效率比Ei的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)分。效率比Ei的計(jì)算如式（2）所示：I WeEi=（