第五屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書概要

1、龍麟杯”第十一屆南京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽暨第五屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽選撥賽設(shè)計計書參賽隊伍：菁竹之光作品名稱:竹光永恒目錄一. 概述1二結(jié)構(gòu)選型與建模1三. 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案說明2四. 結(jié)構(gòu)幾何與材料屬性5五. 結(jié)構(gòu)在靜荷載和地震荷載作用下的計算5 (1恒載作用下內(nèi)力和位移計算分析6(2恒載+地震作用下內(nèi)力和位移計算分析 9一概述此次競賽模型規(guī)定為至少四層房屋結(jié)構(gòu)模型，并且在模型頂部設(shè)有水箱。模型 要求總高度為100±).5 cm且至少具有四層結(jié)構(gòu)，且每層凈高不小于22cm。模型底面 尺寸不大于22cm >22cm正方形平面，每層規(guī)定有效承載面積的范圍和總承載面積。 其目的在于滿

2、足競賽模型要求的情況下，應(yīng)用空間結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識，設(shè)計出材料用量 最少，同時能夠滿足足夠的強度和剛度要求，并且能夠抵抗模擬水平地震荷載的結(jié)構(gòu) 模型。二. 結(jié)構(gòu)選型與建?？紤]到結(jié)構(gòu)需加載水平地震波，我們小組選擇了框架結(jié)構(gòu)。因為框架結(jié)構(gòu)空間 分隔靈活，自重輕，有利于抗震，節(jié)省材料。又框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，屬柔性結(jié)構(gòu)，在 水平加速度的作用下，能夠產(chǎn)生較大位移而不發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，造成梁柱斷裂或倒 塌等后果。結(jié)構(gòu)模型效果圖根據(jù)競賽要求，加載方向通過抽簽決定，所以模型外形采用了中心對稱的方式，樓 板均為正方形。為了使重心盡量偏低，設(shè)計時在底層加載較多的鐵塊，并且頂層面積 適當縮小。結(jié)構(gòu)立面圖三. 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3、方案說明樓板設(shè)計說明：出于中心對稱的設(shè)計，樓板采用了正方形的幾何圖形，每層樓板四 周分別設(shè)置5m材10mm的梁，嵌入方形柱內(nèi)部。因為鐵塊均勻分布，樓層中央將為 壓力重心，樓板下層受拉最大，故在樓層中間設(shè)置X型的梁，承載鐵塊分布的重量，并 且鐵塊盡量沿四周分布?？紤]到地震荷載隨樓層升高將會有擴大作用，故低層放置的鐵塊較咼層多。各樓層面積鐵塊數(shù)量樓層號樓層面積cnr小鐵塊數(shù)屋大鐵塊數(shù)量總靜荷載N122X22222X221477.2322X220470.6420X204'026,5，（樓頂）18X18水箱高度：10cm23.5總計2176總有效承載面積711cm197.8各樓層鐵塊分布詳圖第

4、二層鐵塊分布第三層鐵塊分布第四層鐵塊分布柱設(shè)計說明：由于上層加載鐵塊較少，經(jīng)過比較各種方案后，我們決定采用變截面 空心柱。在查閱資料后，我們發(fā)現(xiàn)處于地震頻發(fā)地區(qū)的日本，其建筑多采用空心矩形 管柱,因為空心矩形管柱具有截面的回轉(zhuǎn)半徑大，對抗扭性能好，平面外剛度好,抵抗水 平地震荷載有較好的效果。底層至頂層各層主柱的截面如下圖所示：底層柱橫截面圖 二層圖截面圖三層柱截面圖 四層柱截面圖四. 結(jié)構(gòu)幾何與材料屬性用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件的為以下三種竹材：竹材規(guī)格款式1250 >430 X).50mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮1250 >430 >0.35mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮1250 >4

5、30 ».20mm本色側(cè)壓單層復(fù)壓竹皮 竹材力學(xué)性能參考值：彈性模量1.0 >04MPa抗拉強度 60MPa。502膠水:用于模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接及水箱與模型的固定。熱熔膠:用于鐵塊與模型的固定。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。五. 結(jié)構(gòu)在靜荷載和地震荷載作用下的計算模型采用有限元軟件MIDAS/GEN進行建模，模型如下圖所示圖MIDAS計算模型節(jié)點處理:所有節(jié)點連接均按照剛接進行。樓層荷載處理：忽略樓板的蒙皮效應(yīng)，將鐵塊荷載按照等效線荷載均勻分布在樓層四周橫梁上。地震荷載：什邡八角記錄NS方向第10s-42s區(qū)間作

6、為基準波，如下圖所示:計算結(jié)果：(1恒載作用下內(nèi)力和位移計算分析恒載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力圖如下圖所示各桿件剪力圖STj ul: BBMIN i 3云0陰co a, aN氏-卞Na各桿件彎矩圖/Al幣柑a B8MIN s 3Xfts MOD&2 N三艇：0 7 /105/2011各桿件軸力圖恒載作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力分布如下圖所示最大應(yīng)力出現(xiàn)在一、二層橫梁端部，最大應(yīng)力為4.05Mpa,低于材料的強度，不會 出現(xiàn)破壞。恒載作用下的結(jié)構(gòu)變形與位移如下圖所示恒載作用下豎向撓度最大值出現(xiàn)在一、二層橫梁跨中，撓度值為0.2mm。(2)恒載+地震作用下內(nèi)力和位移計算分析：恒載+地震作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng) 力分布如下圖所示：最大應(yīng)力出現(xiàn)在一、二層橫梁端部，最大應(yīng)力為34.89Mpa,低于材料的強度，不會出現(xiàn) 破壞。恒載+地震作用下的各桿件內(nèi)力圖如下圖所 示：恒載+地震作用下的各桿件剪力圖9恒載+地震作用下的各桿件彎矩圖 恒載+地震作用下的各桿件軸力圖 恒載+地震作用下的樓層橫向最大位移時程曲線如下列圖所示：10圖一層橫向最大位移時程曲線 一層橫向最大位移出現(xiàn)在17.3秒，為2.63mm。圖二層橫向最大位移時程曲線 二層橫向