全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽計(jì)算書(shū)1

1、2011年第五屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽計(jì)算書(shū) 作品名稱(chēng)：簡(jiǎn)約之美 指導(dǎo)老師： 參賽隊(duì)員： 理論分析計(jì)算書(shū)目錄一、設(shè)計(jì)說(shuō)明 （3）1、方案構(gòu)思 （3）2、結(jié)構(gòu)選型 （3）3、結(jié)構(gòu)特色 （5）二、設(shè)計(jì)方案 （6）1、設(shè)計(jì)基本假定（6）2、模型結(jié)構(gòu)圖 （6）3、主要構(gòu)件材料表（8）三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 （8）1、靜力分析 （9）2、地震作用分析 （9）3、內(nèi)力分析 （10）3、計(jì)算簡(jiǎn)圖 （10）四、結(jié)構(gòu)分析總結(jié) （11） 參考 （12）致謝 （12） 一、設(shè)計(jì)說(shuō)明根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則要求，我們從模型制作的材料抗壓特性，抗拉特性，單向簡(jiǎn)諧動(dòng)載加載形式和靜力加載大小要求等方面出發(fā)，結(jié)合節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)美觀，承載力強(qiáng)等

2、特點(diǎn)，采用比賽提供的竹質(zhì)材料，502膠水粘結(jié)劑精心設(shè)計(jì)制作了“簡(jiǎn)約之美”結(jié)構(gòu)模型，該模型為四層房屋的梁柱體系結(jié)構(gòu)。 1、方案構(gòu)思模型主要承受豎直荷載和較大的水平動(dòng)載，豎直荷載較容易滿足，水平動(dòng)載對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求較高，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗剪能力。（1）本結(jié)構(gòu)主要構(gòu)思是想利用四根柱子的軸力來(lái)抵抗荷載的作用和地震作用。（2）設(shè)計(jì)的總原則是：盡可能的利用細(xì)桿來(lái)提高柱子的承載力，并利用木材的抗拉性能，及抗壓性能來(lái)抵抗荷載的作用。 2、結(jié)構(gòu)選型按設(shè)計(jì)要求，在樓面承受荷載情況下外加較大的水動(dòng)力荷載，所以必須考慮動(dòng)荷載的作用；因此，我們選擇了整體構(gòu)造截面為正方形的框架結(jié)構(gòu)，并且利用箱型梁與正方形（由于膠水的

3、緣故，粘貼并不完全剛接，其實(shí)處于剛接和鉸接之間，剛接作用強(qiáng)一點(diǎn)，所以這里采用剛接）柱子的剛性連接形成矩形框架，使結(jié)構(gòu)具有較好的整體性，以便承受較大的動(dòng)力荷載。在遵守原則的前提下，我們綜合考慮各個(gè)因素設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約之美具有以下五個(gè)創(chuàng)意點(diǎn)：創(chuàng)意點(diǎn)一 根據(jù)地震剪力倒三角的分布規(guī)律，在設(shè)計(jì)時(shí)我們?cè)谥由显O(shè)置了橫向加固竹材圈相當(dāng)于箍筋的作用，并且根據(jù)力流設(shè)置了加密區(qū)，分布規(guī)律：由下到上，由密變疏,如下圖a所示。創(chuàng)意點(diǎn)二 考慮材料有較高的抗拉性能，結(jié)合材料的力學(xué)性能，簡(jiǎn)約之美的主梁設(shè)計(jì)為箱型梁，增強(qiáng)梁的抗彎性和承載能力。創(chuàng)意點(diǎn)三 次梁采用T型梁，T梁兩橫一豎正交相接并與主梁連接，T梁腹板承槽型相對(duì)形成很大的接

4、觸面積使得梁與梁更好的粘結(jié)，這樣主梁與次梁在同一平面;樓板與梁之間之間粘結(jié)，在樓板面上開(kāi)孔既節(jié)省材料又美觀，如下圖b所示。創(chuàng)意點(diǎn)四 施加預(yù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)承受300KN左右荷載的基礎(chǔ)上,進(jìn)行斜拉桿的粘結(jié)，卸載之后即產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，而且斜拉條承螺旋式相交，可以增加柱子的剛度。如圖c所示。創(chuàng)意點(diǎn)五 在整個(gè)結(jié)構(gòu)與底板的粘結(jié)處采用充實(shí)竹子的低端以增加粘結(jié)面積，并且在低端采用立體三角形粘結(jié)底板與柱子，以便保證此粘結(jié)端成為剛性節(jié)點(diǎn)。如圖d所示。依據(jù)以上創(chuàng)意點(diǎn)加上精細(xì)的制作環(huán)節(jié)，我們制作出的結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，節(jié)省材料，承載空間大，經(jīng)濟(jì)美觀，達(dá)到了物盡其用之美，真可謂簡(jiǎn)約之美 、結(jié)構(gòu)外形 結(jié)構(gòu)平面為邊長(zhǎng)195mm的正

5、方形，柱高1005mm，整體為215*215*1005mm的正四棱柱，梁采用箱型主梁和T型次梁的組合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)穩(wěn)定性和抗彎性。、材料截面選擇我們用正方形柱承受鐵塊恒荷載和水平動(dòng)載，矩形主梁連接正方形的柱子，T型次梁連接主梁。主體承力矩形柱由橫截面積10mm*10空心結(jié)構(gòu)，柱與柱之間由外邊6mm*8，內(nèi)邊4mm*6mm的箱型梁連接，結(jié)構(gòu)內(nèi)部由T型梁（翼緣1mm*8mm，腹板2mm*5mm）與次梁交叉相連，增加了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 主體框架結(jié)構(gòu)相交的節(jié)點(diǎn)由于桿在加動(dòng)載和靜載時(shí)會(huì)引起較大的剪力，在連接時(shí)用小木片填充密實(shí)其梁的結(jié)頭處橫斷面，在加載處節(jié)點(diǎn)貼上薄竹片來(lái)增大接觸面積，從而來(lái)增大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)

6、度，從而在結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)一些節(jié)點(diǎn)模擬成剛節(jié)點(diǎn)。主梁與次梁之間都通過(guò)端點(diǎn)處延伸木條來(lái)粘結(jié)，使得接觸面積增大，從而保證具有良好的剛度和較大的強(qiáng)度。3、結(jié)構(gòu)特色這個(gè)名為簡(jiǎn)約之美的結(jié)構(gòu)是在我們制作結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)的多次循環(huán)反復(fù)而后的出來(lái)的結(jié)構(gòu)，它凝聚了所有的試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)。它的優(yōu)點(diǎn)： （1）從結(jié)構(gòu)的外形上看，我們選擇正四邊形作為主體形狀，受力均勻，加載方便，有效利用空間足夠大。（2）針對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和位移情況，選擇正四邊形柱子，并且在柱內(nèi)增加了斜撐小三角形，成為我們結(jié)構(gòu)一大特色。（3）主梁與次梁桿之間相交時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)端點(diǎn)延伸木條粘結(jié)，用膠水加固，這大大提高了斜梁的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。（4）結(jié)構(gòu)采用厚度為

7、0.5mm的材料，采用整體雙螺旋細(xì)竹條斜拉加固，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。二、設(shè)計(jì)方案1、設(shè)計(jì)基本假定（1）竹條材質(zhì)連續(xù)均勻。（2）柱、梁之間的節(jié)點(diǎn)按剛節(jié)點(diǎn)計(jì)算，支座為固定支座。加載時(shí)豎直靜荷載為均布荷載作用在整個(gè)樓板面上，然后傳遞與次梁，主梁，柱子（假設(shè)為軸心受壓）。（3）桿件計(jì)算時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模式。2、模型結(jié)構(gòu)圖分析內(nèi)力和位移，簡(jiǎn)化各個(gè)桿件尺寸和形狀。結(jié)構(gòu)實(shí)物圖 結(jié)構(gòu)前視圖 結(jié)構(gòu)俯視圖3、主要構(gòu)件材料表主要承重柱，受力橫梁，次梁，撐桿尺寸與數(shù)量表。標(biāo)號(hào)形狀尺寸長(zhǎng)度數(shù)量柱子截面10*10mm1000mm4主梁截面外邊5*8mm內(nèi)邊4*6mm195mm16次梁截面腹板2*5mm翼緣1*8mm195mm9三、

8、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)本次比賽的加載規(guī)則，荷載有豎向靜載荷水平動(dòng)載，考慮到結(jié)構(gòu)尺寸所能承受荷載的能力，需對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，在進(jìn)行荷載分析時(shí)將靜載和動(dòng)載簡(jiǎn)化為均布荷載，通過(guò)計(jì)算來(lái)對(duì)相對(duì)薄弱部分作相應(yīng)的加固，使得材料得到充分合理的利用。1、靜力分析結(jié)構(gòu)頂部加載盛4L水的水箱，根據(jù)受力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)形式，將荷載簡(jiǎn)化為均布力，分別同時(shí)施加在結(jié)構(gòu)的四根承重柱上。 根據(jù)荷載的分布和動(dòng)荷載的加載，找出結(jié)構(gòu)最大處位移和最大處應(yīng)力，分析最大處節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性。 柱子的剪力圖2、地震作用分析結(jié)構(gòu)層高和層所受力代表值見(jiàn)下圖，分析各層地震剪力的標(biāo)準(zhǔn)值。Fa+FnFiGiGaG1FE1HiH1 結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)

9、為： 各層水平地震作用和各層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值分別用下式計(jì)算，（1-） （1-）+由上述可以看出，結(jié)構(gòu)底部總的地震剪力確定之后其結(jié)構(gòu)高度大致按倒三角形的規(guī)律分布。H越小F就變化的越快，所以結(jié)構(gòu)的層高H和F的變化必須平衡，為了使結(jié)構(gòu)的重心保持一定的高度，則設(shè)計(jì)各層凈高(由下向上依次)265mm,245mm,245mm,235mm。3、內(nèi)力分析 4、計(jì)算簡(jiǎn)圖 梁的計(jì)算剪力圖 單層框架豎向荷載作用下的變形圖和彎矩圖四、結(jié)構(gòu)分析總結(jié)1、本結(jié)構(gòu)主要是利用四根柱子的軸力來(lái)抵抗荷載的作用2、本結(jié)構(gòu)利用細(xì)桿來(lái)提高柱子的承載力，并利用木材的抗拉性能，及抗壓性能來(lái)抵抗荷載的作用。3、根據(jù)分析的結(jié)論，我們選擇正四邊形作為主體形狀，受力均勻，加載方便。4、根據(jù)梁的受靜荷載和動(dòng)荷載，我們改造出變形柱，加固柱子成為我們結(jié)構(gòu)一大特色。5、主梁與次梁、柱與撐桿之間相交時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)端點(diǎn)延伸木條粘結(jié)，用膠水加固，這大大提高