结构设计竞赛设计.pdf

第 1 页 共 38 页1 比赛内容及赛题分析1 比赛内容及赛题分析1.1 设计背景设计背景2008 年 5 月 12 日发生的汶川大地震，造成 69227 人死亡，是中华人民共和国成立以来遭遇的破坏力最大的地震，也是继唐山大地震后伤亡最惨重的一次。地震造成四川、甘肃、陕西等省的灾区的直接经济损失达 8451 亿元人民币，灾区的卫生、住房、校舍、通讯、交通、治安、地貌、水利、生态、少数民族文化等方面受到了严重破坏。地震造成的严重危害深深地触动了我们未来的土木工程师。建造坚固的楼宇，让人们可以安居乐业是我们土木工程师的使命，也是土木工程师的责任。中国木结构古建筑在世界建筑之林中独树一帜、风格鲜明，具有极高的历史、文化及艺术价值。其中楼阁式古建筑以其优美的造型和精巧的设计闻名于世，已成为中国古建筑的典型象征。据历代营造史料记载，楼与阁原有明显区别，但后来因其均为复层建筑，故通称楼阁，其中比较著名的有武汉黄鹤楼、岳阳岳阳楼、南昌滕王阁、烟台蓬莱阁以及西安钟楼等。我国古代楼阁构架形式多样，屋盖造型丰富。在广泛调研及征求意见的基础上，本次竞赛的模型形式确定为三重檐攒尖顶仿古楼阁。该类古建的一个现存实例为明代所建的西安钟楼。基于当前全球已进入巨震期这一工程背景，本次竞赛引入模拟地震作用作为模型的测试条件，这对于众多现存同类古建的抗震修缮与补强具有现实的科学价值和工程意义。本次赛题让我们在思考如何建筑更加坚的固结构的同时，也让我们思考如何成为一个优秀的土木工程师，以便更好地服务与社会。1.2 模型概述1.2 模型概述竞赛模型采用竹质材料制作，包括一、二、三层构架及一、二层屋檐，模型柱脚用热熔胶固定于底板之上，底板用螺栓固定于振动台上。模型制作材料、小振动台系统和模型配重由大赛承办方统一提供。1.3 模型构造要求1.3 模型构造要求1.3.1 总体要求1.3.1 总体要求（1）赛题中所涉及各种尺寸，如无特殊说明，允许误差均为3mm。第 2 页 共 38 页（2）一至三层楼面标高（由底板上表面量至各楼层梁的上表面最高处）分别为0.24m、0.42m、0.60m。（3）沿结构的外轮廓不能设置任何蒙皮。1.3.2 竖向构件布置要求：1.3.2 竖向构件布置要求：（1）结构竖向构件必须是铅直柱，不允许使用斜向支撑与拉条。（2）各层的转角处必须设置柱，柱位必须按赛题要求布置。各柱尺寸需严格满足要求，即各层柱在底板上的投影必须分别位于赛题规定的阴影范围内。（3）门窗洞口范围必须满足赛题要求，门窗洞口沿其所在平面法线方向在结构内部的任意投影范围内不能设置构件。1.3.3 水平构件布置要求1.3.3 水平构件布置要求（1）第三层柱顶沿外轮廓线应有横梁连接，且应符合本赛题对屋盖配重安装的要求。（2）屋檐布置需满足赛题中屋檐尺寸的要求，一、二层屋檐屋脊曲线段的上边缘均为半径 135mm，弧长 160mm 的圆弧，一、二层屋檐屋脊曲线段分别安装在二、三层转角柱处。一层屋檐屋脊曲线段上边缘起点和终点的标高均为270mm。二层屋檐屋脊曲线段上边缘起点和终点的标高均为 450mm。1.4 配重及安装要求1.4 配重及安装要求模型所加配重为铜条与铜球，铜条截面宽*高的尺寸均为 13mm*10mm，以宽度为 13mm 的面与结构相粘结；铜球直径为 25mm。第一、二层屋檐配重质量分别为 2.4kg 和 1.8kg，第三层屋盖配重总质量为 4.0kg。1.4.1 配重尺寸配重尺寸一、二层屋檐质量块包括屋檐屋脊曲线段和屋檐檐口直线段两部分。安装在屋檐屋脊曲线段上的配重为下边缘半径 135mm，弧长 180mm 的铜条，下边缘外挑端部在铅直方向固结三个串联在一起的铜球，安装在一、二层屋檐檐口直线段的配重铜条分别长 180mm 和 120mm。屋盖配重由屋顶和屋檐两部分组成。屋顶为高90mm，底面边长120mm*120mm 的正四棱锥。屋檐屋脊曲线段为下边缘半径 135mm，弧长130mm 的铜条，屋檐檐口直线段为 134mm 的铜条。第 3 页 共 38 页1.4.2 配重安装要求1.4.2 配重安装要求相赛题中规定了一、二层屋檐和屋盖的安装位置，配重及模型用热熔胶连接，要求应部位尺寸应贴合，最大脱空间隙不得超过 3mm。攒尖顶屋盖设有与第三层顶部连系横梁相粘结的铜条支座，用以将攒尖顶屋盖固定于第三层的柱顶横梁之上。图 1-1 配重安装的立面位置1.5 加载方法与失效评判1.5 加载方法与失效评判1.5.1 地震波1.5.1 地震波（1）第一级输入的地震波：地震波数据点时间间隔t为 0.005s，即数据采样频率f为 200Hz，波形时长 32s，波形如图 2 所示。图 1-2 竞赛加载所用的第一级输入波（32s）第 4 页 共 38 页(2)第二级输入的地震波：地震波数据点时间间隔t为 0.002s,即数据采样频率f为 500Hz，波形时长 90s，波形如图 2 所示。图 1-3 竞赛加载所用的第二级输入波（90s）(3)第三次输入的地震波：地震波数据点时间间隔t为 0.002s，即数据采样频率f为 500Hz，波形时长为 90s，波形如图 5 所示。图 1-4 竞赛加载所用的第三级输入波（90s）1.5.2 荷载施加方式1.5.2 荷载施加方式竞赛加载共分三级进行。在三级加载中，通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波，以全面检验模型对于不同强度和频谱成分地震波作用下的承载能力。加载时每一级地震波功率放大器的增益(Gala)旋钮分别调至要求的角度位置，以得到最佳效果的地震波。1.5.3 模型失效评判准则1.5.3 模型失效评判准则模型在进行加载时，出现下列任一情形则判定为模型失效，不能继续加载。同时将上一次加载级别视为该模型实际所通过的最高加载级别，并作为模型效率比计算的依据。(1)模型中的任一构件出现断裂或节点脱开。第 5 页 共 38 页(2)配重脱落（包括配重条一端沿长度 1/3 部分脱离其支撑构件而另一端悬挂于结构上情况）。(3)第三级加载完毕：较加配重前，第一层屋檐的屋脊曲线段末端和檐口直线段中点沿铅直方向下挠度超过 10mm。1.6 模型材料1.6 模型材料制作模型使用的材料及工具由大赛承办方提供，不得擅自使用其它材料。其中 502 胶水用于模型结构构件之间的连接固定；热熔胶用于配重与模型的固定及模型与底板的连结。第 6 页 共 38 页2.难度分析2.难度分析本次比赛无论在题目或材料上,都为比赛增添不同程度的难度:（1）竹皮材料：相比与木条，使用竹皮制作杆件，制作工序更加繁琐。但竹皮柔软度相对较高、易成型，纤薄的竹皮使参赛队伍对结构构件的构思与设计有了更多的思维空间。又因为竹制杆件在节点处的粘结难度较大，本次比赛在制作技巧上对各参赛者增添更高的要求。（2）三级递进加载：结构在承受静力荷载的同时，分三级施加横向荷载，以模仿地震对结构造成冲击。三次地震荷载的地震波震动形式不同、强度不同、持续时间不同。结构在荷载作用的过程中，杆件所承受的内力在拉伸应力与压缩应力间不停转换，应力的大小也随时间的变化而变化。因此，结构在加载的过程中可能产生结构疲劳而丧失其原有强度。制作过程中应注意结构构件的强度。（3）时间分配：材料的独特性质，以及本次比赛结构构件的复杂程度，提高了本次比赛的难度，增加了模型组装难度。杆件数量巨大，决定了前期构件制作将花费大量时间；节点数量、节点处变截面决定了后期模型组装部分也将消耗大量时间，因此必须在时间上把好关。构件的制作精巧直接影响整体结构的承载能力，在时间分配及制作工艺分配上应严格控制，从而保证在限定的时间内制作出合格的产品。第 7 页 共 38 页3 结构选型3 结构选型本结构的主体是采用延性耗能框架设计原则设计的框架结构。由于竹皮的良好韧性，本结构除了有足够的承载力和刚度外，还具有良好的延性和耗能能力。结构选型的理论依据有如下：3.1 强柱弱梁原则本结构采用的是箱型柱，在节点处添加“补丁”，从而大大的增加了在轴压力作用下柱的受弯承载力。在设计梁的时候，只采用双根箱型截面柱。这样，在汇交同一个节点的上、下柱端截面在轴压力作用下的受弯承载力之和就大于两侧梁端截面受弯承载力之和。从而，在地震作用下框架出现塑性铰时，塑性铰先出现在梁端，推迟或者避免柱端形成塑性铰。这样就使得受弯构件梁在出现塑性铰过程中有很强的耗能能力。另外，强柱弱梁的设计方式也会使得梁端塑性铰分散在各个楼层，不仅耗散大量地震能量，而且不至于形成机动体系倒塌。3.2 强节点原则框架梁、柱是靠节点连接成整体进行有效工作的。在地震时。节点是保证框架有效地抵御地震作用的关键部位。如果在梁、柱塑性铰充分发展前，节点出现脆性破坏，必然会造成交于节点的杆件失效，严重的适合会导致框架由于散失整体性而坍塌。所以，要保证节点有足够的承载力，使得节点的破坏不先于其连接的梁柱的破坏。为此，我们在设计节点时候，对节点进行了特别的处理。在梁与柱子的交接部位，均做了“补丁”，并添加由竹皮在砂纸上打磨产生的粉末，既加大梁柱交接部位胶水粘胶面积，又加大节点处的承载能力。第 8 页 共 38 页4 波形分析波形分析波形分析包括时域分析和频域分析，共有七个通道。各通道的测量位置如下表所示：通道编号通道 1通道 2通道 3通道 4通道 5通道 6通道 7传感器位置振动台台面一层柱子一层梁二层柱子二层梁三层柱子三层梁表 41 加速度传感器安装图 41 加速度传感器安装位置图第 9 页 共 38 页4.1 一级波时域分析图 42 一级波时域分析第 10 页 共 38 页4.2 一级波频域分析图 43 一级波频域分析第 11 页 共 38 页4.3 二级时域分析图 44 二级波时域分析第 12 页 共 38 页4.4 二级频域分析图 45 二级波频域分析第 13 页 共 38 页4.5 三级时域分析图 46 三级波时域分析第 14 页 共 38 页4.6 三级波频域分析图 47 三级波频域分析第 15 页 共 38 页5 结构模型计算分析结构模型计算分析我们利用有限元分析软件 ansys 对结构在不同重力荷载分布和不同地震波等级的荷载工况下进行静力和时程分析。5.1 计算基本假定：计算基本假定：a 结构模型所采用的竹材连续，均匀；b 梁与柱之间连接可靠，结点假设为刚结c 结构模型通过斜撑连接到连接板上，支座采用固定支座5.2 静力分析结果静力分析结果图 51 空间有限元模型第 16 页 共 38 页图 52 竖向荷载作用位移图 53 竖向荷载作用轴力第 17 页 共 38 页图 54 动力特性分析一阶振型图 55 动力特性分析二阶振型第 18 页 共 38 页图 56 动力特性分析三阶振型图 57 一级荷载作用下二层挑檐水平位移时程第 19 页 共 38 页图 58 一级荷载作用下三层挑檐水平位移时程图 59 一级荷载作用下塔顶水平位移时程第 20 页 共 38 页图 510 二级荷载作用下二层挑檐水平位移时程图 511 二级荷载作用下三层挑檐水平位移时程第 21 页 共 38 页图 512 二级荷载作用下塔顶水平位移时程图 513 三级荷载作用下二层挑檐水平位移时程第 22 页 共 38 页图 514 三级荷载作用下三层挑檐水平位移时程图 515 三级荷载作用下塔顶水平位移时程第 23 页 共 38 页6 结构选型及制作结构选型及制作6.1 结构选型6.1 结构选型本次竞赛为三层带挑檐的竹制房屋结构设计。“高性能、低质量，制作简便，造型美观”是我们设计的主旨。首先通过对赛题的研究，我们根据“试验时模型放置方向按照安装底板标识通过抽签挑边确定”的随机性选择了初步设计方案。初期，我们选择的柱子形式为 8mm8mm 的正四边形空心柱，在实验中发现柱的刚度过小，柔度太大，且柱与梁搭接处的节点的接触面积比较小，模型在加载时很不稳定，经验证该选型方案不理想。然后改变方案，使用由两根 6mm6mm柱拼接而成的 6mm12mm 的空心柱，这样的设计不仅提高了柱的刚度，而且增加了节点处的接触面积。图 61 初期结构 1图 62 初期结构 2第 24 页 共 38 页图 63 初期构件柱图 64 初期构件柱通过试验我们发现，双柱结构体系刚度过大，在振动过程中，振型十分不理想，易导致底部弯矩过大而使模型在一、二层搭接的位置发生破坏。通过此次试验，我们总结认为柔度稍大的模型会更适合震动条件下的加载。因此我们对模型进行进一步改良，考虑到模型同时会受到静力荷载的作用，必须控制模型的刚度适当才行。图 65 结构立面图图 66 结构实物效果图第 25 页 共 38 页图 67 结构平面图图 68 一层平面图第 26 页 共 38 页图 69 二层平面图图 610 三层平面图6.2 模型制作6.2 模型制作6.2.1 一层6.2.1 一层柱一层柱子采用 0.5mm 厚本色侧压双层复压竹皮制作。柱子为上粗下西的变截面形式，目的是为了增大柱子与梁节点处的接触面积，柱顶截面尺寸为 10mm10mm，柱截面尺寸为 8mm8mm。柱子结构形式为中空变截面形式，其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。第 27 页 共 38 页图 611 柱子尺寸示意图图 612 柱子仰视图及尺寸图 613 柱子俯视视图及尺寸图 614 效果图图 615 柱拼接材料图 616 柱实物图第 28 页 共 38 页梁一层梁采用 0.5mm 厚本色侧压双层复压竹皮制作。每根梁实际由两根截面尺寸为 5mm5mm 的小梁组合而成，组合后的梁截面尺寸为 5mm10mm。一层的平面投影为八边形，故一层梁共有两种不同长度，制作时的下料长度分别为 90mm和 126mm,下料宽度 5mm。其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。图 617 梁断面尺寸示意图图 618 效果图第 29 页 共 38 页图 619 拼接材料图 620 实物图挑檐挑檐的杆件形式有两种通直杆件和一种圆弧杆件，均采用 0.5mm 厚本色侧压双层复压竹皮制作。通直杆的下料规格分别为 5mm106mm、5mm113mm,圆弧挑檐构件的下料规格为 28mm160mm 及 240mm180mm,其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。图 621 斜挑檐断面尺寸图 622 效果图第 30 页 共 38 页图 623 拼接材料图 624 实物图图 625 圆弧挑檐断面尺寸图 626 效果图第 31 页 共 38 页图 627 拼接材料图 628 实物图6.2.2 二层二层柱二层柱采用0.5mm厚本色侧压双层复压竹皮制作，其断面尺寸为7mm7mm。制作时的下料长度为 174mm,下料宽度 6mm。其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。第 32 页 共 38 页图 629 断面尺寸图 630 效果图图 631 拼接材料图 633 实物图上部梁二层上部梁采用 0.5mm 厚本色侧压双层复压竹皮制作，每根梁实际由两根截面尺寸为 5mm5mm 的小梁组合而成，组合后的梁截面尺寸为 5mm10mm。制作时的下料长度为 174mm,下料宽度 5mm。其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。第 33 页 共 38 页图 634 上部梁断面及尺寸图 635 效果图图 626 拼接材料图 637 实物图第 34 页 共 38 页下部梁二层柱采用 0.5mm 厚本色侧压双层复压竹皮制作，其断面尺寸为 6mm6mm。制作时的下料长度为 174mm,下料宽度 6mm。其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。图 638 下部梁断面及尺寸图 639 拼接材料图 640 实物图第 35 页 共 38 页挑檐尺寸及制作方法同二层挑檐6.2.3 三层三层柱尺寸及制作方法同二层挑檐梁三层采用 0.5mm 厚本色侧压双层复压竹皮制作，其断面尺寸为 7mm7mm。制作时的下料长度为 166mm,下料宽度 7mm。其断面尺寸、效果图、拼接材料图、实物图如下图所示。图 641 上、下部梁断面及尺寸图 642 效果图第 36 页 共 38 页图 643 拼接材料图 644 实物图6.2.4 模型细部及节点构造模型细部及节点构造节点处添加由竹皮在砂纸上打磨产生的粉末，混合 502 胶水，一方面加大了节点处的接触面积，另一方面可提高节点处的扛疲劳。图 645 模型节点构造第 37 页 共 38 页附录1材料表截面尺寸长度下料尺寸数量0.50mm10mm234mm0.50mm10mm234mm16 一层柱0.50mm8mm234mm0.50mm8mm234mm16 一层柱0.50mm5mm126mm0.50mm5mm126mm32 一层梁0.50mm5mm90mm0.50mm5mm90mm32 一层梁0.50mm5mm106mm0.50mm5mm106mm80 斜挑檐0.50mm5mm113mm0.50mm5mm113mm64 斜挑檐0.50mm5mm180mm0.50mm5mm180mm16 二层挑檐0.50mm7mm172mm0.50mm7mm172mm16 二层下梁0.50mm5mm180mm0.50mm5mm180mm32 二层上梁0.50mm5mm85mm0.50mm5mm85mm32 二层上梁内角0.50mm7mm174mm0.50mm7mm174mm32 二三层柱0.50mm7mm106mm0.50mm7mm106mm32 三层上下梁0.50mm5mm120mm0.50mm5mm120mm16 二层挑檐0.20mm5mm30mm0.20mm5mm30mm补丁0.50mm8mm160mm0.50mm8mm160mm16 挑檐圆弧0.50mm8mm180mm0.50mm40mm180mm16 挑檐圆弧第 38 页 共 38 页附录2