抗震结构大赛设计计算书

1、设计计算书一、总体设计思路1、采用板一梁一柱一基础”结构，传力路线简单明确。2、保证结构各部分强度。3、保证结构稳定性。4、在保证强度、稳定性的前提下，调整结构，使固有频率远离共振区，从而尽量降低动 力系数B o5、尽量减轻自重。二、基本参数1、高度从底座板上表面开始计算。共四层。第一层：基础髙度20mm；净高151mm；梁、板髙度33mm。总计204mm。第二层：净高101mm；梁、板高度33mm。总计134mm。第三层：净高102mm；梁、板高度27nun总计129mm。第四层：净高101mm；梁、板、卡槽高度47mm。总计148mm。 总高：615mm。2、面积前三层面积相同，顶层稍有增

2、加，均按前三层取值楼板面积+四个柱面积：164XI64+4X (20X13) =27936 (nun2) =279.36 (cm2)3、荷载单层承受质量：M=279. 36X10=2793.6 (g) =2. 7936 (kg)单层重力荷载：G=Mg=2. 7936X9. 8=27. 37728 (N),取 G 为 27N。结构等效总重力荷载：Geq= 0.85Gi =0. 85X4X27=91. 8 (N)取水平地震影响系数为1,按第一主振型近似计算(参见图2),各层水平地震作用为:Fi = 10. 7N, F2=18. 9N, F3=27N, F.,=35. 2N130取 Fi = UN,

3、 F2=19N, F3=27N, F36N三、结构计算1、材料的力学指标130130FiF2抗拉强度btb抗压强度bcb抗剪强度Pb顺纹70 N/mm260 N/mm5. 7 N/mm2橫纹2 N/mm2弦向65 N/mm170水平地後作弹性模量：8900 N/mm22、振动沿短跨方向时，结构强度、稳定性计算将结构沿对称平面分为两部分，取一侧进行计算, 计算简图如图3所示。(1) 荷载各层竖向荷载为原来一半：N=0. 5G=0. 5X27=13. 5 (N)各层水平地震作用为原来一半：P=0. 5=0. 5X11 = 5. 5 (N)P2=0. 520.5X19 = 9.5 (N)P3=0.

4、5F3=0. 5X27=13. 5 (N)P4=0. 5F4=0. 5X36=18 (2) 几何特性a、柱：面积A = 6X 19=114 (mm2)惯性矩1 = 19X6/ 12 = 342 (mm1)抗弯截面模量W=19X62/6=114图4柱横截而1301301301707777777777150 I图3 短跨方向计算简图b、板(计算简图中的橫梁，每层取三块板计算):3mm二 19mmb讪J图5板横截而面积A = 3X19X3=171 (mm2)惯性矩I = 3X ( 19X33 / 12) =128 (mm*)抗弯截面模量 W=3X (19X32/6) =86 (mm3)(3) 使用结

5、构力学求解器计算整体力轴力图.剪力图。将结构尺寸、荷载、材料性质输入求解器，算得弯矩图、a、弯矩图单位Nmm6.266b、轴力图单位N19c、剪力图单位N图6短跨方向内力图(4) 柱的强度校核柱的最危险截面在最下端。左柱：M M be 1 - W2936*1 126(N/ mm )114N N0=盲120 ?x 二ll(N/mm )114be =+ = 26 + 1.1 二27.1(N/nTm)vbcb = 60(N/mrn)，抗压强度足够MCTi = (Ji -= 26 1.1 = 24.9(N/mm )Ctb = 70(N/rnm2) 抗拉强度足够T匚费需2(N/歸)心.7(2歸)，抗剪强

6、度足够右柱：66H4= 0.6(N/mm2)2852114=25迥/加Ct =+ atN = 25 + 0.6 = 25.6(N/mm2) Qtb= 70(N/mni2) 抗拉强度足够(5) 板的强度校核最危险板处于底层楼顶。因轴力很小，忽略其影响。乳二 A = 30(N/品) %，抗拉、压强度足够t = -33(N 1 mm2) Tb抗剪强度2A 2x171足够(6) 板、梁结点强度校核a、最危险结点处于底层楼顶。如图7所示，忽略梁对板的 拉力，仅考虑梁对板的压力，将其简化为作用线沿梁轴线的集中力。N=M = 2543 =d 9梁.板局部受压强度283N(jc =A 3x(19x3)板的局部

7、受剪强度1.7(N/nirn ) deb，局部受压强度足够T二呼2 =字护=皿/朋)5,局部受剪强度足够2A2x171b、第三层梁板结点处加固条很窄，假设其失效，仅考虑下部梁与板间的拉、压作用，对结点进行校核。如图8所示H9mmM=1813N mn = M = 1813 =d 9梁的受压不需校核，现校核其受拉图8三层楼顶 梁、板结点N 201_ KT. o _ KT.2a = =1-2(N/ mm) 6b = 2N/mnf，A 3 x (19x3)局部抗拉强度足够(7)梁强度校核最危险处在底层楼顶。如图9所示，取梁净跨长进行计算。将板对梁的作用简化为均布荷载。q = 2N = 2x283 =3

8、54(N/)160最大弯矩在两端1 1,J J J1 11=160mm图9板对梁的作用M4 = = 7552(N.iran)W = = = 180(mm,)6 6Qca = 42(N/mm2) acbntb* 抗拉、压强度足够W loO最大剪力在两端(此处为弦向受剪)Q = ql = 3.54xl60 = 283(N)2 2t=-? = 7.4(N/mm2)Tb = 65(N/mm2)2A 2x3x19M梁t Q!/柱抗剪强度足够(8)梁.柱结点强度校核如图10所示，力作用在粘接面，在粘接面处，梁受到柱的扭矩、 剪力作用。T二 M = 7552(Nmm)Q = 283(N)hh? iox 19

9、2W=2x=2x= 2286(mm3)图梁.柱结点p 6 6最大剪力T Q 75522834 1ZXT/ 2x =人亠*t = + 二 += 4.1(N/ mm ) N = 120N,稳定性足够。b、第二层128150342 342+130130=0.16 ；查表得u=2.6,极限荷载为712EI _ 3.142x 8900x342(|il)2 -(2.6x130)2= 263(N)N = 82N,稳定性足够。C、第三、四层轴力较小，无需校核稳定性3、振动沿长跨方向时，结构强度、稳定性计算将结构沿对称平面分为两部分，取一侧进行计算，计算简 图如图11所示。(1) 荷载所有荷载均与振动沿短跨方向

10、时相同。(2) 几何特性a、柱：面积 A = 6X 19=114 (nun)惯性矩 1=6X19/ 12 = 3430 (mm4)抗弯截面模量 W=6X 19?/6 = 361 (nun3)b、梁面积 A = 2X19X3=114 (mm2)130130130170图11长跨方向讣算简图惯性矩 1=6X 19/ 12 = 3430 (mm1)抗弯截面模量 W=6X 192 / 6 = 361 (nun3)3mm 6mm 3mm图13梁横截而图12柱橫截而(3) 使用结构力学求解器计算整体力将结构尺寸、荷载、材料性质输入求解器，算得弯矩图、轴力图、剪力图。1022a、弯矩图单位N mm166,3

11、2.32.311L41332183122533153b、轴力图单位Nc.剪力图单位N2436-18图14长跨方向内力图(4) 柱的强度校核与短跨方向相比，柱的弯矩、轴力、剪力改变很小，而柱的抗弯截面模量是短跨方向的 3倍多，横截面积相同。所以，柱的抗拉、压、剪强度足够。(5) 梁的强度校核最危险梁处于底层楼顶。因轴力很小，忽略其影响。Mbc.lM _ 2845W_ 361=7.9(N/mrrT)v bczbz抗拉、压强度足够豊二耸7迥/曲）5抗剪强度足够（6）梁、柱结点强度校核最危险结点在底层楼顶。如图15所示，力作用在粘接面（、外两个粘接面），在粘接面处，梁受到柱的扭矩、剪力作用。T = M

12、 = 2845(N mm )-Ar梁刃图15梁、柱结点/柱Q = 36(N)w 小 zbh2 bh 小 z19x19219x192Wn =2x(+ )= 2x(+p 666最大剪力T = + - =+ = 0.67(N / mm2) N = 107N,稳定性足够。Pi丿bl3430丽皿6； K2=0.41 +130130查表得u=1.75,极限荷载为k2EI3.142x 8900x3430(1.75x130)2-=5815(N) N = 72N,稳定性足够。C、第三、四层稳定性足够。4、振动计算地震台振动为正弦波，频率2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、 10Hz。(1)振动沿短跨方向时计算模型如

13、图16所示。各层集中质量M=2. 8kg,忽略结 构自重。弹性模量 E=8900 N / mm2=8900X106 N / m2柱的惯性矩为两根柱之和：1 = 2X342 = 684 (mm1) =684X 10 12 (m1)梁的惯性矩为6块板之和： = 2X128 = 256 (mm1) =256X 10 12 (m1)将模型尺寸、集中质量、材料性质输入结构力学求解器， 求得一阶频率为21.78Hz。当振动频率为10Hz时，动力系数B最大p=3(21.78 丿图16短跨方向振动模型对于0.8g的加速度，地震影响系数a =kB =0.8X1.27=1.02虽然地震影响系数a大于1,但超出程度不大，结构强度与稳定性有一定储备，可满足 强度、稳定性要求。(2)振动沿长跨方向时将图16中的跨度“0. 15m”改为“0.18m”即是长跨方向的计算模型。各层集中质量M仍 为2.8kg,忽略结构自重。弹性模量 E=8900 N/mm2=8900X106 N / m2柱的惯性矩为两根柱之和： = 2X3430 = 6860 (mm1) =6860X 10 12 (m*)梁的惯性矩为两根梁之和：I =2X3430 = 6860 (mm1) =6860X 10 12 (m1)将模型尺寸、集中