结构设计竞赛理论方案

结构设计竞赛理论方案 南京工业大学土木工程学院2 1 1 6第二章方案设计 62.1设计说明 62.2方案构思 62.3结构原理 7第三章结构设计 83.1结构计算模型 33.2计算结果 第一章竞赛题目1.1竞赛内容1.1.1模型尺寸及要求竞赛以质量球模拟泥石流或山体滑坡，撞击一个四层的吊脚楼框架结构模型的一层楼面，如1所示。模型各层楼面系统承受的竖向荷载由附加配重钢板或配重铅块实现。4θM1M2M2)θ5配重M1配重M2后固定板端头后固定板端头有效接触面积不小于200mm2qq图3.1.模型要求示意图图3.1模型设计参数取值表qHL6hM120kg~60kg配重M1为规定尺寸的钢板或者铅装详见4.3hjM2约为2.5kg配重M2为规定尺h0M3模型一层加载装置质量，约为2kg~3kg一层楼面不再附质量以现场称量结果为准。模型外包面积L×L≤240mm×240mm。与撞击方向垂直的模型立面柱子的轴心距为220mm±5mm。(2)竖向尺寸要求：楼面层层高h=220mm±5mm,楼面层净高h0≥200mm。吊脚层长柱高度hj=340mm±10mm，其净高不得小于310mm，其净高范围内（柱身范围内）不得设置任何侧向约束。柱脚加劲肋不影响计算楼层高度。模型总高度H=1000mm±15mm。(3)其他尺寸要求：竖向承重构件允许变截面，但需保持竖向承重1.1.2.模型固定及加载测试要求(1)模型固定要求:结构模型固定于330mm×330mm的正方形底板上，结构底部固定点位置必须在底板上的限制区域内，不得越界。各队在主办方监督下统一安装底板，模型底部可以使用由主办方提供的热熔胶与底板连接，也可自行使用502胶水连接（除此以外不得使用超出规定的其他材料或者工具）。连接时，不允许对底板做任何开洞，切割，打磨，刮擦。柱脚埋入热熔胶区域不得超过10mm（注意：因模型底部固定而增加的质量，需计入模型自重）。(2)模型加载要求：模型一层楼面承受撞击，前撞击板和后固定板7必须与结构竖向承重构件在一层楼面区有效接触。一层楼面与撞击方向垂直的两个立面需保持平整，不得妨碍前撞击板和后固定板的安装。前撞击板和后固定板与一层楼面处的竖向承重构件的总有效接触面积不得小于400mm2。1.2所需工具及材料竹材，用于制作结构构件。竹材规格款式本色侧压双层复压竹皮本色侧压双层复压竹皮本色侧压单层复压竹皮1.2.2.502胶水，用于模型结构构件之间的连接。1.2.3.制作工具：美工刀，钢尺，砂纸，锉刀，改锥，小型锯子。第二章方案设计2.1设计说明吊脚楼是南方民居的一种建筑形式，它分布的地区很广，有山有水的地方几乎都有吊脚楼。皖南的河边有吊脚楼，湘西也有吊脚楼，黔北也有吊脚楼。吊脚楼可以沉于河滨陡岸，枕水而立；可以高架于绝顶，形若空中楼阁；又可伴壁爬崖，势同悬空。本次大赛是如何提高吊脚楼抵抗地震、泥石流、滑坡等地质灾害，具有重要的现实意义和工程针对性。2.2方案构思根据比赛要求，结构应首先满足尺寸要求，结构满足高度、加载8面和水平力的要求。在满足承载力以及保证结构稳定的情况下，尽可能地使结构自身重量减到最轻，同时力求一种轻盈优美的姿态感。因此我们做出了大胆尝试。我们的思路主要从外观，结构，制作出发。2.2.1.创造性逻辑与形态逻辑的完美结合结构具有二重性，结构形态具有合理的的受力特性即理性逻辑，其次在于结构形态具有明确的几何特征即形态逻辑。如果能作出这两方面的完美，不仅能使建筑物表现出优美的形态，而且还能达到最经济的效果。所以这次我们的结构选择均是从吊脚楼这种结构的受力特点寻找最为合理的形式。而这种建筑显著特点就是底部弯矩剪力最大，从受力选择的角度将我们的模型做成竖直方向上变截面形式。这样，不仅形成了明确的三角稳定几何特征，而且最有效地利用材料，从而体现经济合理的原则。2.2.2.体现古典与现代的结合纵观现在建筑，由于观念和技术实施的限制，均难以营造出整体的古典特色。从创新上出发，我们朝着古今结合的方向创作，力求以现代的高超技术再现古典的纯美。就构思而言，我们认为可以将我们模型的整体外形按照古代建筑简单完美的特点来处理改造，可以利用一定的技术将柱子做成倾斜状，这样既美观又使用2.3结构布局2.3.1.平面布局从抗震角度，就本次大赛而言即为抵抗水平冲击荷载。平面对9称、侧向刚度均匀，平面长度比较接近的结构其抗冲击性能教好。综上考虑，我们将建筑截面做成规则对称的长方形，使结构质量中心与抗侧中心重合，这样能避免结构在冲击荷载下产生扭转。2.3.2.竖向布局考虑刚度突变将产生局部应力集中，局部屈曲等不利影响，故我们使楼层刚度沿高度逐渐变化，避免冲突。竖向体型做成规则、渐变形式，避免奇特布局使材料浪费。2.4结构选型常规的框架结构不外乎柱、梁和斜撑之间的连接组合。为更加经济合理地选择框架体系，我们通过对以下几个方案进行对比分析以得出最优方案：方案①×6mm的的方形柱，截面形式为两三角形组合，柱子从基础至顶面是竖直的。为控制精度我们将柱子分三段制作，然后用十字对接；按照结构整体等强于斜撑对节点将会产生一定的压力，所以我们将斜撑节点设置在柱子对接加强处。经模拟计算发现：该方案基本能够很好的满足强度、变形等要求。斜撑由于在两侧的布置不对称，不能对结构的抗扭起帮助作用，且斜撑角度太小，不能充分发挥作用。结构最终是因为扭转导致柱子压屈。故可以加以方案②我们从方案①中改进得出一下新方案：为节省制作工序，柱子分两段制作，考虑底部柱子受力大，故底下一段用十字加强。楼层高度，梁截面尺寸同方案①。考虑到斜撑起作用效果较好的角度在45~60度之间，所以我们在每一层楼均设斜撑，为防止结构结构扭转，斜撑在两侧对称布置。经过模拟计算：削减后的基础能够满足要求。本方案结构抗扭能力有明显的提高，基本达到了我们的预想效果。所以我们将之确立为最终方案。第三章结构设计3.1结构计算模型（1）模型简化由于计算机模拟分析的局限性，我们根据实际比赛的结构模型作一定的简化得出计算模型1）受力计算组成：框架2）模型简化假定①梁柱按框架结构体系处理；②楼板不参与受力计算；③忽略小球下滑过程、撞击过程的能量损失；④假定小球撞击后的速度为0；计算模型图3）模型受力分析①竖向荷载结构模型在SAP2000中的计算结果杆件弯矩计算结果竖向荷载下的弯矩图②冲击力F的计算：计算过程出于结构安全储备及简化计算的考虑，忽略小球下滑过程、撞击