第五屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題

1、2011年三峽大學(xué)第二屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽賽題 一、競賽賽題競賽賽題：帶屋頂水箱的竹質(zhì)多層房屋結(jié)構(gòu)二、競賽模型競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為示意性結(jié)構(gòu)圖。圖1 模型示意圖三、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×33cm×8mm的竹板，底板用螺栓固定于振動(dòng)臺(tái)上。

2、(2)模型大小：模型總高度應(yīng)為75cm，允許誤差為±10mm?？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×22cm的正方形平面（見圖2），即整個(gè)模型需放置于該指定平面范圍內(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3個(gè)樓層，底板視為模型第一層樓板。(4)樓層高度：每個(gè)樓層層高25 cm，允許誤差為±5mm。樓層層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)件頂部之間的最小距離。第一層層高從底板頂面開始計(jì)算。柱腳加勁肋、隅撐及其他外立面構(gòu)件不影響計(jì)

3、算樓層凈高。圖2 模型底板示意圖(單位：mm)(5)使用功能要求：樓層各層空間應(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(示例如圖3)，使鐵塊能順利放進(jìn)模型。圖3 構(gòu)件布置示例 (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。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，每個(gè)樓層有效承載面積均不應(yīng)小于12*18 cm2。 (7)模型頂面應(yīng)為平面，并滿足安全放置水箱的要求。若由于頂層尺寸不合適而導(dǎo)致水箱無法安裝，則模型判為失效，取消振動(dòng)臺(tái)加載資格。 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

4、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。(2)提供大、小兩種規(guī)格鐵塊。大鐵塊長、寬、高約分別為12cm、6cm與3.2cm，重量為1800g。小鐵塊的長、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低于15kg，不得超過28.5kg。鐵塊可以疊放。模型頂面不能放置鐵塊。(3)模型頂面上應(yīng)放置水箱，且水箱內(nèi)注入不低于10cm高的水(含水箱約2.6Kg)。水箱只允許豎直、正向(水箱蓋朝上)放置(水箱容量為4L，尺寸155mm×155mm×25

5、7mm中155mm×155mm為上表面盒蓋的外輪廓尺寸，而與模型頂層直接接觸的水箱下底面外輪廓尺寸為124mm×124mm)。（4）模型試驗(yàn)僅在單一水平向施加地震作用。試驗(yàn)時(shí)模型放置方向由參賽者自行確定。 四、 加載與測量4.1加載設(shè)備結(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。 圖4 水平振動(dòng)臺(tái)和激振器圖5 功率放大器4.2 輸入地震波本次競賽采用振動(dòng)臺(tái)單方向加載，通過輸入實(shí)測地震動(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汶川地震中什邡八角站記錄的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Dt為0.005s，即數(shù)據(jù)

6、采樣頻率f為200Hz，全部波形時(shí)長為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，作為本次競賽加載所用的基準(zhǔn)輸入波，如圖6所示。圖6 競賽加載所用的基準(zhǔn)輸入波（32s）4.3 荷載施加方式競賽加載共分三級(jí)進(jìn)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1所示。表1 振動(dòng)臺(tái)在臺(tái)面空載

7、工況下實(shí)際輸出的臺(tái)面最大加速度加載等級(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量得到。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。4.4 臺(tái)面振動(dòng)加速度峰值的測量在對(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。本次競賽采用的加載設(shè)備所允許的臺(tái)面最大位移為±8mm，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

8、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。加載成功后，取表1所列相應(yīng)加載等級(jí)的臺(tái)面振動(dòng)加速度的參考值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)）。4.5 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

9、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、模型材料競賽期間，承辦方為各隊(duì)提供如下材料用于模型制作。(1) 竹材：用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。有如下二種規(guī)格：編號(hào)竹材規(guī)格款式單張重量(g)11250×430×0.35mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮18621250×430×0.20mm本色側(cè)壓單層復(fù)壓竹皮108竹材力學(xué)性能參考值：彈性模量1.0×104MPa，抗拉強(qiáng)度60MPa。 (2) 502膠水：用于模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接固定。 (3)

10、熱熔膠：用于鐵塊，水箱與模型的固定。(4) 模型底板：底板厚度約8mm，長與寬分別為33cm和33cm。底板上除預(yù)設(shè)孔洞外，不得另行鉆孔。（5）砂紙：用于打磨竹材的邊角。 以下制作工具參賽選手自備：美工刀、鋼尺、銼刀、改錐等。六、模型現(xiàn)場安裝、加載及測試步驟6.1模型稱重模型凈重MM(不含底板和螺栓)的測量將采取如下方式： 在各隊(duì)上交作品時(shí)發(fā)放底板，并進(jìn)行底板稱重，記為MM； 各隊(duì)制作完模型，將模型在底板上固定好并重新提交模型（注意，此時(shí)并不安裝鐵塊和水箱），對(duì)模型進(jìn)行總質(zhì)量稱重，記為MT； 模型凈重MM (不含底板和螺栓)按下式計(jì)算：MM = MT - MB。以上質(zhì)量計(jì)量單位均為g。6.2賽

11、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），將模型安裝在底板上。(2)進(jìn)行高度測量，測出每一層所放置鐵塊的最底面至模型底板的垂直高度hi；測出模型實(shí)際總高度H；以上高度計(jì)量單位均為cm。(3)得到加載指令后，將鐵塊固定在模型上，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)；(4)根據(jù)式(1)計(jì)算模型等效負(fù)載重量We： （） (5)迅速將模型及底板安裝在振動(dòng)臺(tái)上，緊固螺栓，固定水箱，準(zhǔn)備進(jìn)行加載。賽場內(nèi)安裝時(shí)間不得超過10分鐘。(6)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)定測量儀器和記錄

12、。如在此過程中出現(xiàn)模型損壞，則視為喪失比賽資格。 6.3加載及測試步驟參賽隊(duì)依次上場進(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)設(shè)計(jì)圖及計(jì)算書15% （共15分）(2)結(jié)構(gòu)選型與制作質(zhì)量 15% （共15分） (3)加載表現(xiàn)評(píng)分70% （共70分） 7.2評(píng)分細(xì)則A. 設(shè)計(jì)圖及計(jì)算書(1) 設(shè)計(jì)圖表達(dá)的清晰性、規(guī)范性 (共10分) (2) 計(jì)算內(nèi)容的完整性與正確性 (共5分)注：設(shè)計(jì)圖包含：結(jié)構(gòu)選型及說明、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。 計(jì)算書包含：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模及主要計(jì)算參數(shù)、受荷分析等。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8分)(2) 模型制作美觀性 (共7分)C. 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： (2)其中各項(xiàng)指標(biāo)的意義與計(jì)算如下：We為所有各層鐵塊的總重量(Wi)和水箱注水重量(WW)，并考慮高度的加權(quán)系數(shù)后計(jì)算得到的等效負(fù)載重量，如式(1)所示；MM為模型(不含底板和螺栓)質(zhì)量。參賽模型質(zhì)量應(yīng)控制在300g以內(nèi)，每超過控制質(zhì)量1%，將在該隊(duì)所得總分基礎(chǔ)上再扣除3%，扣完為至。I為該級(jí)加