河南省第四屆大學生結構模型設計競賽賽題

1、附件1：河南省第四屆大學生結構模型設計競賽賽題：仿古塔樓模型制作與測試一、選題背景大多數(shù)的塔都是由下而上地逐漸縮小，而安陽天寧寺塔（文峰塔)之獨特在于其一反常規(guī)，塔身上大而下小，呈傘狀，為國內(nèi)外所罕見，且塔樓底層較大層高形成底部大空間結構。在實際工程中，很多多層和高層建筑將底層設計為停車場或商鋪等大開間，這類建筑結構底層往往變?yōu)楸∪鯇?。歷次地震表明，有底部薄弱層的建筑結構在地震中容易發(fā)生震害，而文峰塔歷經(jīng)危難，千年不倒，體現(xiàn)了古代勞動人民偉大的智慧和文峰塔建筑藝術的高超。本屆結構模型設計大賽以此為選題背景，希望同學們能通過結構模型的設計、制作與模擬地震加載，了解此類結構的動力特性和震害特點，共

2、同探討改進其抗震性能的方法，這對于有特殊建筑功能和美學要求的建筑具有現(xiàn)實的科學價值和工程意義。圖 1 安陽天寧寺塔（文峰塔）二、作品要求2.1幾何尺寸要求(1) 底板：多層結構模型用熱熔膠固定于模型底板上，底板平面尺寸為350mm350mm，底板用螺栓固定于振動裝置上。(2) 模型大?。耗Ｐ涂偢叨葢獮?00mm，允許誤差為3mm，總高度為模型底板頂面至屋頂(模型頂面)上表面的垂直距離，首層凈高應不小于總高度的30%，若底板上設置有地梁，則第一層凈高需自地梁頂部開始計算；若無地梁則從底板頂面開始計算。柱腳加勁肋、隅撐及其他外立面構件不影響計算塔樓層凈高。模型底面尺寸大小控制在內(nèi)接半徑130mm1

3、50mm圓范圍內(nèi)，2層樓面挑檐為內(nèi)接半徑175mm圓的正多邊形，2層以上樓面挑檐的內(nèi)接圓半徑的逐層遞增5mm。(3) 塔樓層數(shù)：模型必須具有不少于4個塔樓層，底板視為模型第一層塔樓板。除第一層以外，每層塔樓面范圍須通過設置于邊緣的梁予以明確定義。(4) 使用功能要求：塔樓層應具有足夠的承載剛度，各層空間應滿足使用功能要求。在模型內(nèi)部（即不含塔樓層外立面），要求在塔中心設置上下相通的孔洞，孔洞截面為直徑不小于70mm外接圓，上下相望。模型底層必須在一側外立面底部正中保留一個不小于250mm80mm(高寬)的空間以允許設置門洞。模型頂面應為平面，應滿足安全放置頂面配重的要求。2.2模型及附加配重安

4、裝要求(1)塔樓挑檐應為受力結構，每個屋檐下邊緣的外挑端部能承受0.25kg的集中力。利用熱熔膠將附加配重固定在模型除底層以外的各個塔樓層的塔樓面結構上，可在塔樓層上設置固定配重塊輔助裝置，但輔助裝置和配重不能超出塔樓層范圍且不能直接跟柱接觸，塔樓層配重塊不能在塔中心上下相通的孔洞范圍（圖2)。(2)提供統(tǒng)一規(guī)格的屋頂和樓層配重塊。配重分5個質(zhì)量點，二層樓面和頂層屋頂必須設置為質(zhì)量點。除頂層屋頂外的質(zhì)量點要求：每個質(zhì)量點需安置6塊尺寸為80mm40mm20mm的配重塊，重量約為3kg。塔樓頂層配重塊的長、寬、高約分別為200mm、200mm與20mm，重量約為6kg。(3)模型試驗僅在單一水平

5、向施加振動作用，模型的抗側體系應在計算書中闡述清楚。試驗時模型放置方向根據(jù)底板標識采用拋硬幣方法確定。 圖2 樓層配重塊范圍2.3每個參賽隊只能提交一份作品2.4完整的作品包括以下部分：(1)結構設計計劃書，包括荷載分析、結構選型、計算簡圖、內(nèi)力分析、承載能力估算等。(2)設計方案。結構圖若干，包括主要構件、節(jié)點詳圖及材料表等。(3)結構模型（實物）。要求模型制作符合設計制作要求，并與設計書一致。如修改模型，要求同時修改計算書。2.5作品由各參賽隊命名作品名必須健康向上，突出特點。作品名經(jīng)組委會批準后生效。三、制作材料 競賽期間，承辦方為各隊提供如下材料及工具用于模型制作。(1)竹材：用于制作

6、結構構件。竹材規(guī)格及數(shù)量見表 1。表 1 竹材規(guī)格及數(shù)量竹材規(guī)格竹材名稱數(shù)量1250*430*0.50mm本色側壓雙層復壓竹皮2 張1250*430*0.35mm本色側壓雙層復壓竹皮2 張1250*430*0.20mm本色側壓單層復壓竹皮2 張注：竹材力學性能參考值：彈性模量 1.0104MPa，抗拉強度 60MPa。 (2)502膠水：用于模型結構構件之間的連接，配重塊之間的固定。 (3)熱熔膠：用于配重塊與模型的粘接及模型與底板之間的固定。 (4) 模型底板：底板厚度約16mm，長與寬分別為350mm和350mm。底板上除預設孔洞外，不得另行鉆孔。 (5) 制作工具： (a)美工刀，每組3

7、把;砂紙，粗、細各若干； (b)聚乙烯薄膜（防止粘手用）； (c)鉛筆、100cm直尺、三角尺、圓規(guī)； (d)大頭釘、大頭針燕尾夾，每組大、小各5個。 除上述工具外，比賽現(xiàn)場提供3把小型手電鉆及砂輪機供參賽隊需要時使用。參數(shù)隊均不得使用未經(jīng)組委會允許的其他工具。四、加載設備說明結構模型采用第二代改進型 WS-Z30 小型精密振動臺系統(tǒng)進行模擬水平地震作用的加載，考察模型承載力。振動臺系統(tǒng)的主要組成部分及相關參數(shù)信息如下：水平振動臺：型號 WS-Z30-50（如圖 3）指標：水平臺尺寸50638022mm，荷載30kg，重量11.5kg，材料鋁合金 LY12。功能：承載實驗模型。激振器：型號JZ

8、-50（如圖 4）指標：工作頻率0.53000Hz，最大位移8mm，激振力500N，重量28kg功能：使水平臺振動。功率放大器：型號GF-500W指標：失真度1%，噪聲 10mV，輸出阻抗0.5，工作頻率DC010000Hz，輸出電流25A，輸出電壓25V，功率500VA，供電電壓220VAC，尺寸44cmx48cmx18cm。重量：18g功能：為激振器提供輸出功率。 圖 3 水平振動臺和激振器圖 圖4 功率放大器五、加載與測量5.1 輸入地震波加載臺面空載實測加速度時程波形文件，由組委會后續(xù)以附件形式提供。5.2 模型失效評判準則在進行加載時，出現(xiàn)下列任一情形則判定為模型失效，不能繼續(xù)加載。

9、同時，將上一個加載級別視為該模型實際所能通過的最高加載級別，并作為模型效率比計算的依據(jù)。(1) 第一、二級加載后：模型中的任一構件出現(xiàn)斷裂或節(jié)點脫開。(2) 第三級加載完畢時：模型整體或任一樓層發(fā)生坍塌或任一柱腳脫離底板。(3) 每一級加載過程中有配重脫落或飛出。六、模型現(xiàn)場安裝、加載及測試步驟6.1賽前準備(1) 制作規(guī)定時間結束前2個小時分發(fā)底板，底板重量記為M1（精確到0.1g）。(2) 核查模型尺寸是否滿足制作要求；在每層屋檐下邊緣的外挑端部隨機抽取4個分別懸掛0.25kg的集中力，穩(wěn)定保持10秒鐘后如外挑屋檐出現(xiàn)結構性的破壞，結構選型與制作質(zhì)量項記為零分。(3) 提交模型前，用熱熔膠

10、將模型與底板粘接牢固：模型底部可以使用由主辦方提供的熱熔膠與底板連接，也可自行使用502膠水連接（除此以外不得使用超出規(guī)定的其他材料或者工具）。連接時，不允許對底板做任何開洞，切割，打磨，刮擦。柱腳埋入熱熔膠區(qū)域不得超過10mm。 (4) 提交模型時，對模型（包括底板）進行稱重，記M2（精確到0.1g）。 (5) 得到入場指令后，迅速將模型（含底板）運進場內(nèi)，安裝在振動裝置上，緊固螺栓，固定配重塊，準備進行加載。賽場內(nèi)安裝時間不得超過10分鐘。 (6) 以上過程由各隊自行完成，賽會人員負責監(jiān)督、標定測量儀器和記錄。如在此過程中出現(xiàn)模型損壞，則視為喪失比賽資格。 6.2加載及測試步驟(1) 參賽

11、隊代表進行3分鐘陳述，之后評委提問2分鐘。(2) 依次進行三級加載，每級加載完成后依據(jù)5.2的失效評判準則評價模型是否失效。七、評分標準7.1總分構成結構評分按總分100分計算，其中包括：(1) 計算書及設計圖 10% （共10分）(2) 結構選型與制作質(zhì)量 10% （共10分） (3) 現(xiàn)場表現(xiàn) 5% （共 5 分） (4) 加載表現(xiàn)評分75% （共75分） 7.2評分細則A. 計算書及設計圖(1) 計算內(nèi)容的完整性 (共6分) (2) 圖文表達的清晰性、規(guī)范性 (共4分)注：計算書要求包含：結構選型、結構建模及主要計算參數(shù)、受荷分析、節(jié)點構造、模型加工圖（含材料表）等。 B. 結構選型與制

12、作質(zhì)量 (1) 結構合理性與創(chuàng)新性 (共6分)(2) 模型制作美觀性 (共4分)注：在屋檐下邊緣的外挑端部隨機抽取4個分別懸掛0.25kg的集中力，外挑屋檐出現(xiàn)結構性的破壞時，該項記為零分。C. 現(xiàn)場表現(xiàn)(1) 現(xiàn)場陳述 (共3分)(2) 現(xiàn)場答辯 (共2分)上述三項評分方式：去掉一個最高分和一個最低分后，得分為余下評委評分的平均值（精確至小數(shù)點后兩位）。D. 加載表現(xiàn)評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的計算結果進行評分。效率比Ei的計算如式(1)所示： (1)加載級別權重系數(shù)。通過第一級=0.3，通過第二級=0.7，通過3級=1.0；設Emax為所有模型中的最高效率比，各模型根據(jù)其效率比結果獲得的加載表現(xiàn)分Ki的計算公式如式(2)： (2)以上A-D各項得分相加，分數(shù)最高者優(yōu)勝。八、其它要求和事宜 (1)各參賽隊通過抽簽確定組號，比賽時按組號順序加載，但承辦單位的4個參賽隊需先抽出第1組代表隊并第一個加載。比賽期間嚴格按組號順序進行，請參賽人員提前到場，未能按時參加比賽需提前向組委會申請并經(jīng)批準，否則視為自動棄權。 (2)每組安排一名隊員對模型進行加載。 (3)結構模型采取現(xiàn)場制作的方式進行，制作時間2天。 (4)每組作品介紹及從加載到比賽結束整個過程所用時間不得超過8min，但是，模型安裝和配重固