全國賽吊腳樓-計算書修訂

1、前言據(jù)統(tǒng)計，全球每年平均發(fā)生800多萬次左右的泥石流和山體滑坡。如果泥石流發(fā)生在人類居住區(qū)，就可能造成嚴重的泥石流災害。重慶是泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災害較為嚴重的地區(qū)之一，這些自然災害是大自然向工程人員提出的一個重大挑戰(zhàn)，如何提高吊腳樓建筑抵抗這些地質(zhì)災害的能力，是工程師們應該想方設法去解決的問題。本次結構設計競賽以模擬吊腳樓建筑抵抗泥石流、滑坡等地質(zhì)災害為題目，具有重要的現(xiàn)實意義和工程針對性。根據(jù)大賽要求，我們采用結構設計軟件結構力學求解器和SATWEY，經(jīng)過多次優(yōu)化，最后采用了直筒式框架支撐和框架拉條組合結構體系，該體系是在平面尺寸保持不變的直筒式框架結構的基礎上，在其上部布置預應力拉條而

2、成。本計算說明書主要從結構方案、材料力學性能、計算方法和基本假定、結構分析四個部分進行闡述。在材料力學性能實驗的基礎上，我們采用結構分析軟件SATWEY，分別對制作的模型分別進行了反應譜分析和時程分析，并采用質(zhì)量球沖擊模擬泥石流或山體滑坡。分析和試驗結果表明，直筒式框架支撐和框架拉條組合結構體系既能充分利用竹材的抗拉性能，又具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗沖擊性能。第1章 結構方案1.1 設計構思 選擇合理的結構形式 形式服從功能，建筑物應適應時代的要求，注重功能，力求發(fā)揮和表現(xiàn)結構與材料的美學特點是我們追求的目標。此多層房屋結構設計方案的選擇，很大程度上取決于結構形式的選擇。在追求功能和外觀的同時

3、，我們著重考慮了結構體系的合理性，經(jīng)濟性和實用性。結構設計，應以“安全，高效”為核心，力求“創(chuàng)新，經(jīng)濟，質(zhì)輕，美觀”。 結構主要承受沖擊荷載影響。比賽中采用的三級沖擊荷載分別對應實際情況中的小、中、大等級泥石流和滑坡。如何使結構在兼顧美觀、經(jīng)濟的同時滿足各級沖擊荷載下的功能要求，成為我們著重考慮的問題。 關于模型設計的若干考慮 在滿足強度和穩(wěn)定的前提下，對結構起控制作用的變量主要是模型自重、樓層高度設置以及豎向荷載在樓層間的分布。各個變量彼此相關，不同的結構選型在這些方面有較大差異，需要在理論和實踐上進行分析和比較。同時，由于是沖擊荷載，模型設計應考慮動力荷載作用下結構能否滿足強度和穩(wěn)定的要求

4、。在結構選型中，我們對各種結構形式進行了比較詳盡的理論分析和實驗比較，著重分析結構自重和荷載分布，以期達到較大的效率比。具體措施有以下幾點： = 1 * GB2 根據(jù)模型的制作材料，選擇適當?shù)慕Y構形式，提高結構剛度和整體性，符合“強柱弱梁”，“強剪弱彎”的要求； = 2 * GB2 針對不同的結構形式，在保證安全可靠的前提下，盡量優(yōu)化模型、減輕重量，使荷重比達到最大； = 3 * GB2 針對不同的荷載分布，通過大量加載實驗，觀測模型的加速度和位移，在滿足安全的前提下，盡可能提高效率比； = 4 * GB2 由于制作材料是竹皮和膠水，兩者的材料力學特性均未知，因此需做材料性能試驗，包括竹皮抗拉

5、強度試驗、竹皮抗剪強度試驗、短柱抗壓試驗、長柱抗壓試驗、膠水抗剪試驗等； = 5 * GB2 合理運用竹皮材料的特性，充分發(fā)揮其優(yōu)越的力學性能； = 6 * GB2 所有桿件的計算長度及控制長細比均按壓桿考慮，以保證安全； = 7 * GB2 精心設計和制作構件及節(jié)點板，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，從實踐中不斷總結，敢于創(chuàng)新，打破思維定勢的約束； = 8 * GB2 合理借鑒其他團隊的成功經(jīng)驗，經(jīng)常交流溝通。 1.2 結構選型 模型結構選型 在模型計算、制作和實驗過程中，不同模型都有自己的優(yōu)缺點，從質(zhì)量及結構整體穩(wěn)定性等方面考慮，找出較為合理的結構類型。在整個設計過程中，我們考慮過如下四種體系： = 1

6、 * GB2 純框架結構體系 該體系傳力明確，結構簡明，模型制作簡便，能滿足基本功能要求，但整體剛度小，抗側(cè)力、抗震性能較差，若要滿足比賽抗震要求則需要加強節(jié)點連接，增大梁截面，整體自重加大。 = 2 * GB2 框架核心筒結構體系 該體系剛度大，整體性強，抗震性能優(yōu)越，模型造型美觀。通過試驗表明，核心筒抗震實際效果不顯著，并且制作較繁瑣，模型自重大。 = 3 * GB2 框架拉條結構體系該體系以純框架結構為基礎，在結構上部布置拉條。該體系能夠充分利用竹材的抗拉性能，結構剛度降低，抗扭能力有一定提高，但拉條如果存在缺陷，結構位移過大在結疤脆弱處容易產(chǎn)生脆斷，選材需慎重。 = 4 * GB2 框

7、架支撐結構體系 該體系以純框架結構為基礎，在結構底部布置支撐。該體系靜承載力強，整體性好，抗側(cè)剛度大，模型自重偏大，模型造型美觀精致。在加載試驗中表現(xiàn)出令人滿意的抗沖擊性能，若能較好地控制模型質(zhì)量，該體系效率比較高。通過試驗顯示，支撐會在沖擊荷載作用下產(chǎn)生較大的沖擊反力，減小了上部結構較大的水平側(cè)向位移。在整個設計周期中，我們以“輕質(zhì)高強，實用美觀”作為設計指導思想，采用結構設計軟件進行反復模擬計算，并進行地震模擬加載，逐一淘汰了相對薄弱或自重較大的結構體系，最終選定了框架支撐和框架拉條組合結構體系。在確定組合結構體系中的框架形式時，我們考慮了兩種情況：直筒式框架，每層平面尺寸一致；塔式框架，

8、從上到下平面尺寸依次縮小。通過比較，發(fā)現(xiàn)直筒式框架能夠有效減少柱的偏心和扭轉(zhuǎn)引起的不良影響，因此最終選擇了直筒式框架支撐和框架拉條組合結構體系作為我們的參賽作品。 模型設計特色 直筒式框架支撐和框架拉條組合結構體系具有如下特色： = 1 * GB2 合理用材，充分發(fā)揮了兩種不同材料的力學性能 竹皮抗壓強度較高，抗剪強度較弱，因此應盡量避免竹材受剪。竹皮做成的三角筒作為柱充分利用了其抗壓性能，減輕了結構自重。膠水抗剪強度較高，抗拉強度低，因此在節(jié)點處盡量避免了膠水抗拉。 = 2 * GB2 傳力方式簡潔明確，避免了復雜節(jié)點處理，杜絕薄弱環(huán)節(jié)的存在 設計應用鋼結構節(jié)點連接設計方法，采用節(jié)點板連接節(jié)

9、點，連接傳力可靠，節(jié)點連接剛度大。放樣、制作標準化，提高了制作精度。 = 3 * GB2 用材節(jié)約，經(jīng)濟性好 模型以矩形筒作為次梁傳遞豎向荷載，以支撐增大結構抗側(cè)剛度，充分利用了竹材的抗拉性能，提高了模型的效率比。 = 4 * GB2 注意選材 經(jīng)仔細觀察，我們發(fā)現(xiàn)提供的材料分為順紋和斜紋兩種不同形式，實驗表明，順紋的抗拉強度明顯優(yōu)于斜紋板件，因此在板件的挑選上也需細致認真。 = 5 * GB2 形式新穎，造型美觀 模型多用桿件，造型輕巧、美觀。樓層平面做成直筒形式，既避免柱的偏心和扭轉(zhuǎn)，又使造型新穎、大方。 = 6 * GB2 預應力的使用成為本模型的一大亮點 為了提高材料利用率，本模型創(chuàng)新

10、地采用了竹皮濕脹干縮的特性，將桿件按設計長度潤濕后粘貼，干燥后自然產(chǎn)生的預拉應力起到了良好的提高剛度的效果。1.3 結構布置 圖1.1為本次參賽的結構方案。結構底部為吊腳層的下部大空間，以上為三層建筑使用層。結構總高1000mm，第14層層高分別為340mm、220mm、220mm及220mm。各層平面布置如圖1.2所示，其中樓面采用拉條制作。模型構件截面尺寸如表1.1所示，其中梁截面均為箱形截面，規(guī)格為高度寬度腹板厚翼緣厚（單位為mm，以下同）；柱截面為等腰直角三角截面，規(guī)格為直角邊斜邊厚度（單位為mm，以下同）；拉條截面規(guī)格為寬度厚度（單位為mm，以下同）。 圖1.1 結構方案效果圖圖 第

11、一層 (b) 第二層 (c) 第三層 (d) 第四層 圖1.2 結構各層平面圖（單位：mm） 圖1.3 結構正立面圖（單位：mm） 表1.1 構件截面尺寸表(單位：mm)層號柱截面尺寸梁截面尺寸樓面拉條撐桿120280.720120.554根80.2216100.554根80.2316100.554根80.2420120.558根80.2第2章 材料的力學性能確定合理、真實的材料力學性能是進行結構整體受力分析和模型制作的前提。在進行結構分析和模型制作之前，我們分別對制作構件的材料（竹材）及連接材料（502膠水）進行了力學性能試驗，以確定其力學參數(shù)。2.1 竹皮力學性能實驗竹皮作為模型材料，其力

12、學特性是順紋抗拉性能良好，韌性大，逆紋抗撕裂能力不及順紋抗拉能力，抗壓彎能力均較弱，并且竹皮可能存在結疤脆弱區(qū)，會顯著降低其力學性能。根據(jù)模型結構方案，我們分別沿竹材順紋制作拉條及長柱進行試驗，其中拉條用來測定抗拉強度、彈性模量、抗剪強度等，長柱用來進行確定穩(wěn)定系數(shù)。制作長柱時，將竹皮沿順紋方向裁成竹條并用502膠水連接為箱型截面。 試件強度試驗 = 1 * GB2 拉條抗拉試驗共制作2個拉條試件進行抗拉試驗，試驗結果見表2.1。竹皮抗拉強度取為75MPa，彈性模量E取為7500MPa，屈服強度取為65MPa。表2.1 竹皮抗拉試驗結果試件編號試件尺寸（寬厚長）（mmmmmm）橫截面面積(mm

13、2)極限抗拉承載力(N)極限抗拉強度（MPa）彈性模量E（MPa）屈服強度（MPa）19.50.552505.22537872.34475006529.50.352503.32525676.992 = 2 * GB2 竹皮抗剪試驗共制作2個抗剪試件進行抗剪試驗，試驗結果見表2.2。竹皮抗剪強度取為30MPa。表2.2 竹皮抗剪試驗結果試件編號試件尺寸（寬厚）（mmmm）橫截面面積(mm2)極限抗剪承載力(N)極限抗剪強度（MPa）1600.3521216.50430.312200.35774.20530.601 長柱穩(wěn)定試驗共制作6根不同截面尺寸的長柱，每種規(guī)格的柱子共3根。穩(wěn)定試驗結果見表2

14、.3，其中F1F3分別表示每種規(guī)格的3根柱子分別測得的最大軸向力，F(xiàn)表示最終確定的軸向力；表示長細比；表示穩(wěn)定系數(shù)。表2.3 長柱穩(wěn)定試驗編號規(guī)格F1F2F3F134020280.7172.8167.4181.2173.854.0640.117222020280.7257.5262.6246.8188.9761.2560.1812.1.3 竹材密度 取三塊100mm100mm0.2mm（長寬厚）的竹材，測得質(zhì)量分別為1.84g，1.79g，1.81g，取平均值得1.813g，進而算出密度為0.907g/cm3，由于在制作的過程中有502的滲入，我們近似確定竹材的密度為1.00g/cm3。 2.

15、2 膠水力學性能實驗 制作1根試件，用以測定502膠水抗剪強度，試驗結果見表2.4。502膠水抗剪強度取為7.5MPa。表2.4 502膠水力學性能試件編號試件尺寸（寬厚）（mmmm）橫截面面積（mm2）抗剪承載力（N）抗剪強度（MPa)110330225.2347.5082.3 試驗得出的結論 從以上的材料力學性能試驗，可以得出如下結論： = 1 * GB2 竹皮沿橫紋不易制作，容易折碎，抗拉及抗壓強度均較順紋差，因而沿順紋加工成箱型截面的桿件，均勻涂膠后抗壓強度滿足要求； = 2 * GB2 竹皮拉條抗拉強度高，但試驗顯示破壞多出現(xiàn)在結疤脆弱處，因而在選取拉條材料時，要求其上的缺陷盡量少；

16、 = 3 * GB2 竹皮桿件的強度指標離散性大，變異性強，手工制作存在誤差，在確定強度指標時應取較高的安全系數(shù)； = 4 * GB2 竹皮為各向異性材料，順紋方向受力性能較橫紋方向好，制作中要避免橫紋受力； = 5 * GB2 竹皮的抗壓及抗拉強度與其厚度成正比，經(jīng)試驗，相同尺寸不同厚度的桿件，0.5mm厚度的桿件力學性能符合要求，因而桿件一律采用0.5mm厚的竹皮制作； = 6 * GB2 比較打磨后的竹皮桿件和0.5mm厚原始竹皮制作的桿件，相同尺寸的桿件，打磨后的桿件承載力未有多大的減弱，而質(zhì)量得以減輕。建議采用打磨后的桿件； = 7 * GB2 涂過量膠水與適量膠水的相同尺寸的桿件相

17、比較，涂過量膠水的桿件承載力沒有多大的提高，但重量卻增加并且影響美觀，因而桿件應打磨掉多余膠水，但要保證拼接處粘貼牢靠； = 8 * GB2 觀察桿件破壞情況發(fā)現(xiàn)，過度打磨后的桿件及膠水不均勻處更易出現(xiàn)破壞，因而應提高打磨質(zhì)量，盡量打磨均勻，切除邊緣過薄部分，涂膠應均勻； = 9 * GB2 兩桿拼接處是薄弱處，除涂以適量膠水外還需在外緣粘貼節(jié)點板，經(jīng)試驗只有0.5mm厚竹皮制作的節(jié)點板能夠保證安全要求。第3章 計算方法和基本假定3.1 計算方法和計算模型假設3.1.1 計算方法主要采用將模型簡化，近似等效成平面剛架體系進行計算。而計算部分運用清華大學土木系結構力學教研室開發(fā)的“結構力學求解器

18、”軟件進行大部分計算。3.1.2 計算模型假設 = 1 * GB2 由于根據(jù)本模型加載方向得知主要承力方向為外法線的兩個方向，也就是加載方向在同一個豎平面內(nèi)。且根據(jù)結構本身特性，每層梁與柱采用開槽插入灌膠，因此可以將其假設為剛接； = 2 * GB2 而二至四層斜撐剛度較小，柔度較大，考慮其有轉(zhuǎn)動的趨勢，所以將斜撐設為鉸接； = 3 * GB2 另外，底層斜撐與柱連接時可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，所以設為鉸接，而與地梁連接時，由于地梁剛度比斜撐大很多，所以可視為剛接，這點在利用結構力學求解器時，得到驗證。由于支撐對框架的作用主要體現(xiàn)在抗側(cè)剛度上，考慮計算的簡便性，采用單榀框架結構的計算簡圖，綜上所述，則可以

19、得到如下所示的基本計算模型。 圖3.1 計算模型簡圖3.2 模型計算荷載分析及截面性質(zhì)分析3.2.1 已知荷載：模型頂部20kg鐵塊（200N)，四層鐵塊2.5kg(25N) ，三層鐵塊2.5kg（25N），二層鐵塊2.5kg（25N)，具體如下表所示：表3.1 各層重量計算（包括自重）層數(shù)分項1層2層3層4層各項總計總質(zhì)量質(zhì)量(kg)鐵塊2.52.5202528.4加載裝置2.52.5模型0.30.20.20.20.9各層重量2.82.72.720.23.2.2 模型簡化時的荷載等效計算樓面荷載等效計算： = 1 * GB2 計算思路：由計算模型可知作用在模型樓面的是面均布荷載，于是所有計算

20、就是將樓面或屋頂?shù)蔫F塊荷載視為面均布荷載。而作用在橫梁上的是線均布荷載，直接將其等效為作用在有效承載面上的面均布荷載，然后乘以寬度轉(zhuǎn)化為線均布荷載。 = 2 * GB2 計算過程：計算頂面有效承載面積則，由于每層板面為方形，故各邊長相等。等效在每根柱子上所承受的集中力表3.2 各樓層參數(shù)表層號（）（）（）（）1484000.11366.2520.11366.2530.11366.2540.004130.909150第4章 結構分析本章采用結構分析軟件SATWEY，在第2章實測的材料力學性能參數(shù)的基礎上，針對第1章建立的直筒式框架支撐和框架拉條組合結構體系結構模型分別進行靜載和沖擊荷載分析，得出

21、其內(nèi)力及變形，并進行構件驗算，以驗證該方案的合理性和優(yōu)越性。除了結構整體分析之外，還對樓面拉條近似進行了內(nèi)力分析和強度校核。 4.1 結構分析模型 此結構為直筒式框架支撐和框架拉條組合結構，涉及桿件較多，通過手工計算難以獲得準確的計算結果。因此，我們采用結構分析軟件SATWEY中建立計算模型。所采用的分析假定如下： = 1 * GB2 結構分析模型柱底用502膠水在底板上固定，底部約束取為固定端； = 2 * GB2 所有結構桿件均在彈性范圍內(nèi)工作； = 3 * GB2 鐵塊荷載簡化為均布線荷載加在橫梁上； = 4 * GB2 順紋方向材質(zhì)連續(xù)、均勻； = 5 * GB2 柱與柱、梁與柱、支撐

22、與柱之間結點均為剛結； = 6 * GB2 水箱作為重力荷載施加頂部，偏安全地忽略地水箱作為TLD的減震作用。 在以上假定的基礎上，采用SATWEY建立計算模型如圖4.1，其中梁柱選用Frame單元進行模擬；拉條也采用Frame單元進行分析，但在兩端釋放彎矩，且抗壓極限值設為0，以模擬其只能受拉不能受壓。圖4.2及圖4.3分別為計算模型單元編號及節(jié)點編號。4.2 靜載作用下結構分析 4.2.1 鐵塊布置 為達到最大的等效負載質(zhì)量，鐵塊布置方案如圖4.4所示。鐵塊總質(zhì)量為29.5kg，有效荷載面積為484cm2，滿足賽題的要求。4.2.2 重力荷載 重力荷載主要包括模型自重、樓面鐵塊，其中自重在

23、SATWEY中自動考慮，樓面鐵塊、頂部水箱折算為各層橫梁上的均布線荷載計算如下：第一層：第二層：第三層：第四層：下圖3-4所示即為折算的梁上均布荷載。圖4.4 折算的結構荷載分布圖()4.2.3 結構內(nèi)力 靜載作用下模型內(nèi)力圖見圖4.5?？梢钥闯?，底層柱軸力最大，頂層梁彎矩最大。 ( = 1 * alphabetic a)彎矩圖() ( = 2 * alphabetic b)剪力圖() ( = 3 * alphabetic c)軸力圖()圖4.5 靜載作用下結構內(nèi)力圖4.3 沖擊荷載作用下結構分析 4.3.1 模態(tài)分析 模態(tài)分析所得模型各階振型如圖4.6所示，各階頻率大小及振動形式如表4.2所

24、示。可以看出，結構前2階振型均為平動，第3階振型為整體扭轉(zhuǎn)，第一扭轉(zhuǎn)周期和平動周期的比值為0.76。4.3.2 反應譜分析 = 1 * GB2 反應譜 采用賽題所給的基準輸入波，首先將其按等比例調(diào)整使其峰值加速度達到第一級加載時的峰值（0.409g），如圖4-7所示；然后使用Bispec軟件計算得到加速度反應譜，如圖4.8所示，計算時阻尼比取為0.02。 = 2 * GB2 結構內(nèi)力 采用3.1節(jié)中建立的計算模型，利用反應譜法計算得到的結構內(nèi)力見附表2，內(nèi)力圖見圖4.9。 ( = 1 * alphabetic a)彎矩圖() ( = 2 * alphabetic b)剪力圖() ( = 3 *

25、 alphabetic c)軸力圖()圖4.9 靜載+沖擊荷載作用下結構內(nèi)力圖可以看出： = 1 * GB2 自上而下柱子軸力逐漸增大，因此，為了充分發(fā)揮材料性能，將柱子做成變截面是合理的； = 2 * GB2 第3層沿地震作用方向的拉條承受較大的拉力，說明其能較為充分地發(fā)揮作用；而另外一方向的拉條拉力基本上為0，說明其發(fā)揮的作用很?。?= 3 * GB2 柱端剪力變化規(guī)律基本與軸力相同，相對于柱端而言，梁端剪力很??； = 4 * GB2 底部二層梁柱彎矩較大，上部二層梁柱彎矩較小。 = 3 * GB2 結構位移響應 反應譜法計算所得模型各層層間位移及層間位移角如表4.3所示?？梢钥闯龅诙訉娱g位移角最大，最大值約為1/23。由于未考慮模型頂部水箱的減震作用，且多次試驗結果表明模型能承受比賽指定的模擬地震加載而不發(fā)生破壞，因此模型的層間位移角是可以接受的。表4.3 反應譜法計算所得層間位移（角）層號層高（mm）層間位移（mm）層間位移角第一層2805.520.019714第二層26010.910.04195第三層2400.570.002356第四層2202.150.0097734.3.3 結構動力時程分析 采用