結構設計競賽理論方案

結構設計競賽理論方案 南京工業(yè)大學土木工程學院2 1 1 6第二章方案設計 62.1設計說明 62.2方案構思 62.3結構原理 7第三章結構設計 83.1結構計算模型 33.2計算結果 第一章競賽題目1.1競賽內容1.1.1模型尺寸及要求競賽以質量球模擬泥石流或山體滑坡，撞擊一個四層的吊腳樓框架結構模型的一層樓面，如1所示。模型各層樓面系統(tǒng)承受的豎向荷載由附加配重鋼板或配重鉛塊實現(xiàn)。4θM1M2M2)θ5配重M1配重M2后固定板端頭后固定板端頭有效接觸面積不小于200mm2qq圖3.1.模型要求示意圖圖3.1模型設計參數(shù)取值表qHL6hM120kg~60kg配重M1為規(guī)定尺寸的鋼板或者鉛裝詳見4.3hjM2約為2.5kg配重M2為規(guī)定尺h0M3模型一層加載裝置質量，約為2kg~3kg一層樓面不再附質量以現(xiàn)場稱量結果為準。模型外包面積L×L≤240mm×240mm。與撞擊方向垂直的模型立面柱子的軸心距為220mm±5mm。(2)豎向尺寸要求：樓面層層高h=220mm±5mm,樓面層凈高h0≥200mm。吊腳層長柱高度hj=340mm±10mm，其凈高不得小于310mm，其凈高范圍內（柱身范圍內）不得設置任何側向約束。柱腳加勁肋不影響計算樓層高度。模型總高度H=1000mm±15mm。(3)其他尺寸要求：豎向承重構件允許變截面，但需保持豎向承重1.1.2.模型固定及加載測試要求(1)模型固定要求:結構模型固定于330mm×330mm的正方形底板上，結構底部固定點位置必須在底板上的限制區(qū)域內，不得越界。各隊在主辦方監(jiān)督下統(tǒng)一安裝底板，模型底部可以使用由主辦方提供的熱熔膠與底板連接，也可自行使用502膠水連接（除此以外不得使用超出規(guī)定的其他材料或者工具）。連接時，不允許對底板做任何開洞，切割，打磨，刮擦。柱腳埋入熱熔膠區(qū)域不得超過10mm（注意：因模型底部固定而增加的質量，需計入模型自重）。(2)模型加載要求：模型一層樓面承受撞擊，前撞擊板和后固定板7必須與結構豎向承重構件在一層樓面區(qū)有效接觸。一層樓面與撞擊方向垂直的兩個立面需保持平整，不得妨礙前撞擊板和后固定板的安裝。前撞擊板和后固定板與一層樓面處的豎向承重構件的總有效接觸面積不得小于400mm2。1.2所需工具及材料竹材，用于制作結構構件。竹材規(guī)格款式本色側壓雙層復壓竹皮本色側壓雙層復壓竹皮本色側壓單層復壓竹皮1.2.2.502膠水，用于模型結構構件之間的連接。1.2.3.制作工具：美工刀，鋼尺，砂紙，銼刀，改錐，小型鋸子。第二章方案設計2.1設計說明吊腳樓是南方民居的一種建筑形式，它分布的地區(qū)很廣，有山有水的地方幾乎都有吊腳樓。皖南的河邊有吊腳樓，湘西也有吊腳樓，黔北也有吊腳樓。吊腳樓可以沉于河濱陡岸，枕水而立；可以高架于絕頂，形若空中樓閣；又可伴壁爬崖，勢同懸空。本次大賽是如何提高吊腳樓抵抗地震、泥石流、滑坡等地質災害，具有重要的現(xiàn)實意義和工程針對性。2.2方案構思根據(jù)比賽要求，結構應首先滿足尺寸要求，結構滿足高度、加載8面和水平力的要求。在滿足承載力以及保證結構穩(wěn)定的情況下，盡可能地使結構自身重量減到最輕，同時力求一種輕盈優(yōu)美的姿態(tài)感。因此我們做出了大膽嘗試。我們的思路主要從外觀，結構，制作出發(fā)。2.2.1.創(chuàng)造性邏輯與形態(tài)邏輯的完美結合結構具有二重性，結構形態(tài)具有合理的的受力特性即理性邏輯，其次在于結構形態(tài)具有明確的幾何特征即形態(tài)邏輯。如果能作出這兩方面的完美，不僅能使建筑物表現(xiàn)出優(yōu)美的形態(tài)，而且還能達到最經濟的效果。所以這次我們的結構選擇均是從吊腳樓這種結構的受力特點尋找最為合理的形式。而這種建筑顯著特點就是底部彎矩剪力最大，從受力選擇的角度將我們的模型做成豎直方向上變截面形式。這樣，不僅形成了明確的三角穩(wěn)定幾何特征，而且最有效地利用材料，從而體現(xiàn)經濟合理的原則。2.2.2.體現(xiàn)古典與現(xiàn)代的結合縱觀現(xiàn)在建筑，由于觀念和技術實施的限制，均難以營造出整體的古典特色。從創(chuàng)新上出發(fā)，我們朝著古今結合的方向創(chuàng)作，力求以現(xiàn)代的高超技術再現(xiàn)古典的純美。就構思而言，我們認為可以將我們模型的整體外形按照古代建筑簡單完美的特點來處理改造，可以利用一定的技術將柱子做成傾斜狀，這樣既美觀又使用2.3結構布局2.3.1.平面布局從抗震角度，就本次大賽而言即為抵抗水平沖擊荷載。平面對9稱、側向剛度均勻，平面長度比較接近的結構其抗沖擊性能教好。綜上考慮，我們將建筑截面做成規(guī)則對稱的長方形，使結構質量中心與抗側中心重合，這樣能避免結構在沖擊荷載下產生扭轉。2.3.2.豎向布局考慮剛度突變將產生局部應力集中，局部屈曲等不利影響，故我們使樓層剛度沿高度逐漸變化，避免沖突。豎向體型做成規(guī)則、漸變形式，避免奇特布局使材料浪費。2.4結構選型常規(guī)的框架結構不外乎柱、梁和斜撐之間的連接組合。為更加經濟合理地選擇框架體系，我們通過對以下幾個方案進行對比分析以得出最優(yōu)方案：方案①×6mm的的方形柱，截面形式為兩三角形組合，柱子從基礎至頂面是豎直的。為控制精度我們將柱子分三段制作，然后用十字對接；按照結構整體等強于斜撐對節(jié)點將會產生一定的壓力，所以我們將斜撐節(jié)點設置在柱子對接加強處。經模擬計算發(fā)現(xiàn)：該方案基本能夠很好的滿足強度、變形等要求。斜撐由于在兩側的布置不對稱，不能對結構的抗扭起幫助作用，且斜撐角度太小，不能充分發(fā)揮作用。結構最終是因為扭轉導致柱子壓屈。故可以加以方案②我們從方案①中改進得出一下新方案：為節(jié)省制作工序，柱子分兩段制作，考慮底部柱子受力大，故底下一段用十字加強。樓層高度，梁截面尺寸同方案①。考慮到斜撐起作用效果較好的角度在45~60度之間，所以我們在每一層樓均設斜撐，為防止結構結構扭轉，斜撐在兩側對稱布置。經過模擬計算：削減后的基礎能夠滿足要求。本方案結構抗扭能力有明顯的提高，基本達到了我們的預想效果。所以我們將之確立為最終方案。第三章結構設計3.1結構計算模型（1）模型簡化由于計算機模擬分析的局限性，我們根據(jù)實際比賽的結構模型作一定的簡化得出計算模型1）受力計算組成：框架2）模型簡化假定①梁柱按框架結構體系處理；②樓板不參與受力計算；③忽略小球下滑過程、撞擊過程的能量損失；④假定小球撞擊后的速度為0；計算模型圖3）模型受力分析①豎向荷載結構模型在SAP2000中的計算結果桿件彎矩計算結果豎向荷載下的彎矩圖②沖擊力F的計算：計算過程出于結構安全儲備及簡化計算的考慮，忽略小球下滑過程、撞擊