第六届全国大学生结构设计竞赛计算书-山东大学(共19页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 第六届全国大学生结构设计竞赛作品名称：xxxx 参赛学校：山东大学参赛队员：xx(土木工程) xx(土木工程) xx(土木工程) 指导老师：xx二零一二年十月理论分析计算书目录一 前言吊脚楼是中国的古老建筑，最原始的雏形是一种干栏式民居。当人类的记忆尚处于模糊不清的原始时代的时候，有巢氏创造的吊脚楼就作为最古老的民居登上了历史舞台。建筑是人类智慧的结晶，是凝固的音乐，是艺术的绽放。毫无疑问，结构是建筑的根本。重庆地区由于地形地貌特征的影响，出现泥石流、滑坡等地质灾害的频率较高，吊脚楼的结构设计则成为了重中之重。第六届全国大学生高校结构设计竞赛是一个极富现实意义，挑战性的科技竞赛。它旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神，提高学生的动手能力与思维能力，激发创新意识，培养科学思维，加强团队协作，提高动手能力，提升大学生的责任担当，更好地去思考建设的结构。 这次比赛无疑给我们建立了一个理论联系实际的平台，将理论知识用于与实际问题的解决之中，为社会问题建言献策。通过本次比赛，我们不仅会锻炼我们自己的思考能力，加深入了对理论知识的理解，还会跟来自全国各地的学子交流我们对建筑结构的认识。这将是我们学海生涯中难忘的一笔。二 设计说明 本次结构设计竞赛以我国传统山地民居吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为题目。根据题目的要求以及实际情况做简化和模拟，可得基本模型：一个四层吊脚楼框架结构模型，要能够承受一定的竖向静荷载和水平冲击荷载，竖向荷载由附加配重钢板实现，水平冲击荷载为用质量球模拟泥石流或滑坡，撞击吊脚楼模型一层楼面。制作模型用的材料为三种规格的本色侧压双层（单层）复压竹皮和502胶水。通过合理地分析结构的受力及变形特征，本着经济适用的原则我们设计只做了“绿色空间”吊脚楼模型，为四层框架体系结构。1 方案构思 结构要承受较大的竖向荷载和水平冲击荷载，考虑利用梁的抗弯性能和柱子的轴力来承受竖向荷载。水平冲击荷载对模型整体要求较高，要求模型有足够的稳定性，在质量球的撞击下不能倾覆，同时一层楼面处的梁及柱子要有较高的强度和刚度，保证构件不发生破坏。这种情况下，一层吊脚层就需要进行加固，保证能抵抗撞击力，同时，减少结构整体的刚度，使结构在受到撞击的时候，能够有一定的小振幅的震动，以此达到耗能的目的。结合以上的考虑，我们的基本设计思路是： 1.1框架结构具有轻质高强的特点，同时在便于制作，结构相对较稳定，所以我们设计模型考虑采用抗侧力框架结构。 1.2制作模型时，在各层采用不同的加固方式，在吊脚层进行加强加固，保证其稳定性，在二、三层适当降低结构整体刚度，特别是使模型在受到撞击时，能够在二层及其以上有一定的振动来起到耗能的作用。 1.3制作模型在“强节点弱构件，强柱弱梁”的原则下进行，尽量利用小而多的构件设置合理的结构来抵抗荷载，避免单纯依靠单一构件的强度来抵抗荷载。2 结构选型2.1柱的结构选型： 考虑到赛题的要求和实际情况中不同结构的受力性能的不同，以及结构性能及制作工艺，我们选用截面为四边形的空心柱，截面形状规则，制作起来就相对容易一些，同时空心柱材料主要分布在外围，使得柱子有较大的惯性距，抗弯性能好。2.2梁的结构选型： 梁的结构形式有许多种，如箱型、T型、工字型、L型等，考虑到一层梁与撞击方向一致，所以要有足够的抗压性能，于是我们选择箱型梁的形式。二、三层只承受较少的竖向荷载，对梁的要求不是很高，所以我们选择较小截面的箱型梁，这样在满足使用要求的前提下能够尽量地节省材料，降低模型自重，更加经济，同时，箱型梁具有较好的抗扭性能，这点箱型梁优于T型梁。顶层需要承受较多的竖向荷载，这样的话就需要有更高性能的梁，于是我们选择较大的截面的箱型梁，同时内部加上一定数量的横向小片，进一步增强柱子的刚度。 2.3拉条的结构选型： 二、三层拉条的设置提高了结构的整体刚度，通过实验确定拉条的位置、尺寸及数量，显著改善模型的性能。3结构特色整个结构采用框架结构，外观简洁，强度高，整体稳定性好，除此之外，我们的模型还具有以下特色。3.1节点处理 梁柱节点处，我们把梁做得稍长一点，将端部剪开并向外折出一小部分，这样就有了较大的粘接面积，保证了节点强度，同时简单易操作。另外，在不同的节点处，根据不同的节点受力情况，有微小的差别，以实现最好的受力性能。3.2梁的制作 我们设计的模型所有的梁都采用的箱型梁，因为箱型梁与其他形式的梁相比在抗弯性能、抗扭性能等方面都有优越性，只是针对不同部位的梁采用了不同大小的截面，和不同的截面形状，以矩形和正方形为主。这样既保证了承载荷载的能力，同时节省材料、减轻自重。 一层撞击方向的梁在结构承受撞击力时将受到较大轴力，所以采用8*10mm,厚度1.1mm的箱型梁。二、三层梁不需要承受太多静载，大约25N，所以采用小截面梁即可，实验证实5*8mm，厚度0.35mm箱型梁完全满足要求。顶层梁承受大部分静载，对梁要求较高，采用8*10mm，厚度为1.1mm的箱型梁，内部加小片以增强其刚度。3.3柱脚处理根据模型的受力特点，模型受到水平的撞击力很大。对模型进行整体受力分析，可以发现，柱脚处的力很大。采用如图所示的三角形结构，一方面，可以延伸出较大的柱与底板的接触面积，有更大的粘接面积。另一方面，改变接触部位的受力特性，防止柱脚处构件破坏（如若采用简单的粘接或加长连接，会在柱与底板的胶结部位产生较大的剪力，易产生破坏）。3.4牛腿模型的顶层梁承受较大的荷载，为了使作用在顶层梁上的荷载更有效的传递到柱上，在顶层梁与四根柱间运用牛腿结构。牛腿充分加大了柱子和梁的接触面积，使得结构具有更好的承重能力。三 设计方案1方案基本假定（1）竹条材质连续均匀。（2）柱、梁之间的节点按刚节点计算，支座为固定支座。加载时竖直静荷载为均布荷载作用在整个楼板面上，然后传递到次梁，主梁，柱子（假设为轴心受压）。（3）杆件计算时采用空间刚架结构计算模式。2 模型结构图 2.1 三视图： 2.2立体图3主要构件材料表3.1材料用量表名称截面尺寸(mm)长度(mm)数量(根)所需主材类型柱992mm40.55mm竹皮二、三层主梁截面210mm80.35mm竹皮顶层梁截面210mm40.55mm竹皮吊脚层斜撑360mm20.55mm竹皮拉条320mm160.35mm竹皮牛腿80.35mm竹皮四 结构设计计算1有限元模型建立对于该吊脚楼结构，在进行结构内力分析时按空间刚架结构进行计算。该结构为多次超静定结构，手算过于复杂且难以得到精确的结果，所以我们采用SAP2000进行分析。本结构的制作材料为竹材，节点处用胶水进行粘接，其作用介于刚接与铰接之间，刚接作用较强，所以计算时采用刚接较为合理。根据竞赛规则需要进行两部分的受力分析，首先是竖向荷载下的静力分析，然后是水平冲击荷载下的动力分析。 建立的有限元模型如图：2 静力分析2.1分析假定（1） 吊脚楼结构安装底板上。底板通过螺栓固定，根据其约束情况，在结构分析模型中，四个柱子及两根斜撑的柱底节点约束取为理想刚结约束。（2）所有结构构件均在弹性范围内工作，即计算时不考虑结构的材料非线性。静载下轴力图 静载弯矩图通过软件分析，柱子的最大轴力在一层吊脚层，一层与撞击方向一致的两根梁由于受到前撞击板与后固定板的压力，所以也有较大轴力，该处需要有较大强度。下图所示为静力荷载下结构的变形图3 动力分析 动荷载下轴力图 动荷载下剪力图动荷载下弯矩图 一级撞击 模型顶端位移二级撞击 模型顶端位移三级撞击 模型顶端位移动力荷载变形图4结构计算总结1、本结构主要是利用四根柱子的轴力来抵抗荷载的作用2、本结构利用箱型截图柱子来提高承载力，并利用木材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。3、根据分析的结论，我们选择正四边形作为主体形状，受力均匀，加载方便。4、根据梁的受静荷载和动荷载，我们在不同的楼层选取不同的横梁，横梁与横梁间运用拉条进行连接。5、主梁与次梁、柱与撑杆之间相交时，节点通过端点延伸木条粘结，用胶水加固，非粘接面保证光滑，这大大提高了斜梁的稳定性和强度，并有利于其余部分的粘贴。5 承载能力估算层数（不计底层）第二层第三层第四层配重钢板（kg）2.52.50铁块质量（kg）0040预计承载能力总计（kg）45布置图（俯视图）配重钢板配重钢板铁块安置区域五 结束语大学的四年是我们人生最宝贵的时间段，我们应不断进取，开拓创新，为我们的青春添一份精彩的回忆。解决实际社会问题是人生的终极目标，人生的最大意义也在此展现。 第六届全国结构设计大赛正是给我们提供了一个展示自我和交流创新的平台。通过赛事题目，增强了我们的对社会问题的责任担当，让我们有意识地去了解社会问题。虽然在整个参赛的过程中，接连不断的困难与失败，让我们吃过的苦头，但是我们并没有因此而放弃、停滞不前。在团队成员的相互鼓励以及指导老师们的悉心指导之下，我们不断地改进自己的模型、减轻重量、优化结构，最终我们的模型一点一点站立了起来。每一次的改进都是进步，每一次的进步都是成功，汗水并没有白流，付出终将会获得回报！通过这次比赛，我们培养了自己的团队合作精神、创新精神、敬业精神与奉献精神，还有吃苦耐劳的精神。 在整个参赛过程中，不但是我们付出了努力，我们的指导老师同样孜孜不倦。是他们的谆谆教导和深切关怀让我们不断努力、不断进取。同时还感谢主办方重庆大学和中国土木工程学会，谢谢你们为我们提供这个竞赛的平台。六 参考资料名称主编出版社理论力学冯维明国防工业出版社材料力学冯维明国防工业出版社结构力学王彦明 ，王来机械工业出版社结构动力学、抗震计算与SAP2000应用，西南交大出版社专心-专注-专业