第十届福建省大学生结构设计竞赛赛题20220302.docx

第十届福建省大学生结构设计竞赛赛题20220302 第十届福建省大学生结构设计竞赛赛题1 背景 福建省位于环太平洋地震带，地质结构复杂、地震频发，由地震引起的建筑结构震害和次生灾害问题比较突出。汶川8.0级地震后，国家对防震减灾工作提出了更新、更高的要求，通过发布第五代地震区划图（即中国地震动参数区划图GB18306-2022），全面提高了我国的抗震设防能力。 此外，在美国“9.11”世贸双子塔倒塌事件发生后，国、内外结构设计人员在反思中发现，传统的只保证结构“安全性、适用性和耐久性”的设计理念在目前大环境下存在一定的不足或缺陷，并据此提出了另一项保证指标结构鲁棒性（Structural Robustness）。国际标准ISO 2394（1998）结构可靠性通则将结构鲁棒性定义为：“结构在火灾、爆炸、冲击以及各种人为错误或破坏等突发事件作用下，不发生与初始破坏不成比例的大范围倒塌的能力。”由此可见，结构鲁棒性体现了结构对局部破坏的不敏感性以及结构的抗连续倒塌能力，是对结构可靠性的更高要求。 2 总体模型 总体模型由加载台和建筑模型两部分组成。 2.1 加载台 加载台座如附图一所示，模型加载平台板为1100mm×1100mm的实木平台（厚度18mm），通过4根M18的高强螺杆与加载台底座连接，加载台右侧为水平向加载装置。 2.2 建筑模型 建筑模型由模型底板和上部建筑组成。 底板采用竹集成板材，标准尺寸960mm×1100mm，厚度12mm。 上部建筑采用竹材（竹条和竹皮）制作，属平面和立面不规则建筑。上部建筑由三个总层数分别为3、4和5的子结构组成，底层平面为“L”形（见附图二和附图三，各子结构的位置不允许变动）。建筑平面轴网尺寸为900mm×900mm，各拟设的柱子间距为150mm，其中6个角柱为必选项，均应设置（用 “”符号表示，并进行了编号），而其余柱子为可选项（用“”符号表示），按需设置。结构层高最少为210mm（层高计算到楼面或屋面），同层楼（屋）面标高应一致，总建筑高度（计算至最高点）不超过1200mm。结构类型不限，但室内空间不允许设置空间斜撑（垂直投影线与建筑轴线不共线的支撑均定义为空间支撑）。 上部建筑各层每150mm×150mm的平面面积内均施加500g的竖向荷载。 梁、柱截面形式不限，柱脚与底板的连接采用热熔胶或胶水粘结，底板与加载平台板通过夹具固定。 3模型制作要求 3.1 模型的加载台和底板由竞赛主办方统一提供，并在显著位置标注底板的自重（精确到1g）。各参赛队不得对底板进行任何致重量改变的操作，如挖空、削皮、洒水等，否则视为违规。 3.2 模型的其余部分由参赛队制作。模型结构的所有构件、节点及连接部件均采用给定材料与粘结胶水手工制作完成。 3.3 各层每150mm×150mm的平面面积内均应施加500g的竖向荷载，未满足要求者视为违规。竖向荷载（荷载块）由参赛队牢固粘结在楼面或屋面板上，在加载过程中若出现加载块脱落，则视为失败。 3.4 模型应组装为整体，即将底板与上部建筑装配成整体。模型底板与加载平台板通过4个夹具固定。 3.5 模型制作时间为12小时。模型应在规定的制作时间内组装为整体，此后不能再有任何实质性的操作。 4模型材料和制作工具 此处提到的模型材料和制作工具均由竞赛主办方统一提供。 4.1 竹材 竹材规格及数量如表1所示，竹材参考力学指标如表2所示。 表1 竹材规格及用量 表2 竹材参考力学指标 4.2 粘结材料 502胶水，热熔胶，胶枪。 4.3 竖向荷载块（具体规格见附图四） 500g/块，108块。 4.4 制作工具 美工刀（3把），3.5m卷尺（1把），1m钢尺（1把），三角板（1套），砂纸（4张，粗砂、细砂各2张），锉刀（3把）、剪刀（2把）、手套（3副）、签字笔（1支）、铅笔（2支）、橡皮（1块）、圆规（1个）。 5 模型检测及称重 5.1 模型尺寸不合格判定 符合以下情况之一者，判定该模型为不合格，不予加载，参赛模型加载项成绩为零： （1）层数未达要求； （2）角柱未按规定设置； （3）同层梁顶标高存在超过5mm的高差； （4）柱横截面的长边或短边尺寸超过16mm； （5）底层柱中心线、边界线超出规定的轴线和边界线±5mm； （6）建筑投影尺寸（长或宽）超出指定区域范围±5mm； （7）层高超出指定高度（210mm）-5mm； （8）总建筑高度超出指定高度（1200mm）+5mm。 5.2 模型称重 模型整体称重后，减去底板重量，即为参赛模型的重量M i。 6 模型加载及评判 模型加载分两个阶段：第一阶段为水平向模拟地震作用，第二阶段为抗连续倒塌模拟。 6.1加载方法 6.1.1 第一阶段 由参赛队员以配重的形式通过拉索对模型底座平台板施加水平位移，然后突然释放，加载台连同模型做自由衰减运动。 该阶段分三级进行加载： 第一级：为固定项目，所施加的配重W1=20kg； 第二级：为固定项目，所施加的配重W2=30kg； 第三级：为自选项目，所加载的配重W3（W3应大于30kg且增量最小单位为1kg，加载上限为50kg）由各参赛队在正式加载前1天上报主办方。 按等级由小到大依次加载，在确保结构不发生失效的前提下进行下一级加载。 6.1.2 第二阶段 在第一阶段模型完好的情况下，可进入第二阶段的加载。 第二阶段的加载以拆除底层柱的形式进行。 该阶段分二级进行拆除： 第一级：为固定项目，拆除1个“角柱”由参赛队员摇置1个色子，点数即为拆除的“角柱”编号； 第二级：为自选项目，拆除1个“中柱”由参赛队员继续摇置两次色子（随机生成两次点数），第1次点数代表了相应的“角柱”编号，然后以该角柱 为起始位置开始顺时针计数，每遇到一个边柱则计数+1，当计数达到第2次色子点数时即为所需拆除的“边柱”。（说明：a. 所有角柱均不计数，包括起始位置； b. 若边柱数量少于第2次色子点数，则顺时针重复循环，直到总计数达到第2次色子点数为止； c. 若没有边柱，则该级加载成绩为零） 拆柱行为是由参赛队员自行通过机械剪剪断指定柱子的两个不同断面完成，所剪除的柱段长度不应小于50mm。 与指定的拆除柱柱脚相连的其他结构构件（如支撑等），都应与指定柱一起拆除。 6. 2 评判标准 每一次加载完成后，当模型在静置20s后不出现如下的失效情况，则判定该次加载成功，成绩有效。 6.2.1 第一阶段 加载过程中，出现以下情况，则判定结构失效，终止加载，本级加载及以后级别加载成绩为零： （1）结构发生整体倾覆、垮塌； （2）梁、柱、板、支撑等构件脱落； （3）竖向加载块脱离面板。 6.2.2 第二阶段 在拆柱过程中，如果第二层出现垮塌，则判定结构失效，本级加载及以后级别加载成绩为零。 在该阶段，垮塌定义为：楼面层水平受力构件（包括：楼板、主、次梁等支撑竖向荷载的水平受力构件）的竖向挠度超过100mm。需要说明的是，只要有一个水平受力构件的竖向挠度超出限值，即判定该楼层垮塌。 7 评分项及评分标准 7.1 模型评分项及分值 模型评分项共五项，总分100分，其中包括： （1）计算书以及设计说明10分 （2）结构选型与制作质量10分 （3）现场表现5分 （4）模型的抗震能力60分 （5）模型的抗连续倒塌能力15分 7.2评分标准 7.2.1计算书以及设计说明10分 （1）计算内容的完整性、准确性6分 （2）图文表达的清晰性、规范性4分 7.2.2结构选型与制作质量10分 （1）结构合理性与创新性5分 （2）模型制作质量与美观性5分 7.2.3现场表现5分 （1）赛前陈述3分 （2）现场答辩2分 7.2.4模型的抗震能力60分 （1）各参赛队模型（i）的单位自重水平抗震能力m1,i、m2,i、m3,i，按（1）式计算： m1,i=W1,i M i ，m2,i=W2,i M i ，m3,i=W3,i M i （1） W1,i本队模型第一级的加载配重，W1,i=20kg；W2,i本队模型第二级的加载配重，W2,i=30kg；W3,i本队模型第三级的加载配重，单位：kg；M i本队模型的自重；单位：kg。 （2）模型抗震能力得分C i，按式（2）计算： C i=m1,i m1,max ×15+m2,i m2,max ×20+m3,i m3,max ×25（2） m1,max第一级加载时，所有参赛队模型中单位自重抗震能力的最大值; m2,max第二级加载时，所有参赛队模型中单位自重抗震能力的最大值; m3,max第三级加载时，所有参赛队模型中单位自重抗震能力的最大值。 7.2.5模型的抗连续倒塌能力15分 （1）拆除角柱后，结构未失效7分 （2）拆除边柱后，结构未失效8分 7.3惩罚措施 参赛队竖向荷载块的粘结时间应控制在12分钟之内，计时从建筑模型底板固定完成开始。每超时1分钟，从总分中扣掉1分。 8 计算书要求 计算书应包括以下内容： （1）赛题解读 （2）结构选型分析及结构方案 （3）构件尺寸 （4）计算分析 （5）必要的图纸 附图一：加载台座 图1 模型加载图（含加载台座和建筑模型） 图2 加载台座侧视图 （a） （b） 图3 加载台座俯视图 附图二: 建筑模型 图1 三维视图 图2 立面图 图3 剖视图