结构模型设计

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建筑结构模型设计中的选型与设计

作者：王哲

来源：《丝路视野》2018年第06期

【摘要】高层建筑的结构体系是高层结构是否合理、经济的关键，随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。论文总结了各种高层建筑结构体系、特别是近年来出现的复杂、新颖的结构体系的受力特征，进而对高层建筑结构选型要点进行了探讨。

【关键词】建筑结构；模型设计；选型与设计

一、结构选型

（一）框架结构体系

框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。

（二）剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3～8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。

（三）框架一剪力墙结构体系

框架一剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作，共同发挥作用。

（四）筒体结构

随着建筑物高度的增加，传统的框架结构体系、框架一剪力墙结构体系已不能很好地满足结构在水平荷载作用下强度和刚度的要求。筒体体系因其在抵抗水平力方面具有良好的刚度，并能形成较大的使用空间，而成为六十年代以后常用于超高层建筑中的一种新的结构体系。根据筒体布置、组成、数量的不同，又可分为框架筒体、筒中筒、组合筒三种体系。

浙江省结构设计大赛作品

“大鹏展翅”输电塔结构模型设计

理论方案

浙江省大学生结构设计竞赛组委会

二OO七 年 十 月

浙江省结构设计大赛作品

目 录

序 ...................................................... 2

1. 设计说明书 ........................................... 4

1.1 研究背景和意义 ........................................................................ 4

1.2 结构的构思和结构的选型 ........................................................ 4

2. 方案图 ............................................... 7

2.1 模型三维图 ................................................................................ 7

2.2 模型三视图 ................................................................................ 8

2.3 主要构件图 ................................................................................ 9

2.4 支座与连接详图 ...................................................................... 10

3. 计算书 .............................................. 11

第３６卷第３２期　２　０　１　０年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０　Ｊ．３６　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．　２０１０　・７１・　文章编号：１００９．６８２５（２０１０）３２—００７１—０２　结构抗震试验中结构模型的设计　侯宇颖　摘要：首先提出结构模型设计是结构抗震试验最重要的环节，它必须符合相似条件，在此基础上介绍了六类相似条件，　分析了用相似条件选择模型比例和模型材料的方法，以期确保结构抗震试验数据的有效性。　关键词：结构抗震试验，相似条件，模型设计　中图分类号：ＴＵ３５２．１１　文献标识码：Ａ　在试验研究中，由于试验设备的限制和经济上的考虑，往往　用模型试验替代原型结构试验，因而首先遇到如何选择与设计模　型的问题。它除了决定于试验目的与要求以及模型材料和制造　的可能性外，还必须符合相似条件，只有在符合相似条件的模型　上得到的试验结果才能换算到实际结构中去。　１　相似条件　相似理论是结构模型试验的理论依据，其基本内容是：描述　现象的方程式（包括平衡方程、物理方程和边界条件等）与所取基　本单位无关，它必定是齐次方程式即方程的两端为同一量纲；如　果方程所需的物理量有ｎ个，并且在这ｎ个量中含有　个量纲，则　独立的无量纲数群有ｎ—ｋ个。每个无量纲数群称作订项，这一　定律即所谓仃定理。　根据上述定理，如果参与试验的物理量　有ｎ个并采用同一　的单位系统，其物理方程可表示为，（　，，ｘ　，…，　）＝０。　经过无量纲化以后可写成　（仃。，７ｒ　，…，仃　一　）＝０。　结构模型试验中要遵守相似条件，它们包括六类，即几何相　似、荷载相似、质量相似、刚度相似、时问相似、边界条件相似。　１）几何相似条件。要求模型与原型各相应部分的尺寸均成比　Ａ　例，面积比、截面模量比及惯性矩比均应分别满足　：Ｓ　；２　Ｌｅ＿＝　ｚ＇ｌｍ　，　Ｓ；　，７－＝｜Ｓ　的相似条件。２）荷载相似条件。荷载相似要求模型和　１ｍ　原型结构在对应点所受的荷载方向一致，大小成比例，称为荷载　相似。３）质量相似条件。在研究工程振动等问题时，要求结构的　质量分布相似，即对应部分的质量（通常简代为对应点的集中质　量）成比例。４）刚度相似条件。研究与结构变形有关问题时，要　用到网４度。表示材料刚度的参数是弹性模数Ｅ和Ｇ，若模型和实　物各对应点处材料的拉压弹性模数和剪切弹性模数成比例，也就　是材料的弹性模数相似。５）时问相似条件。对于结构动力问题，　若模型结构上的速度、加速度与原型结构上的速度、加速度在对　应的位置和对应的时刻保持一定的比例，并且运动方向一致，则　称为速度和加速度相似。所谓时间相似不一定是指相同的时刻，　而只要求对应的间隔时间成比例。６）边界条件相似。模型结构　和原型结构在与外界接触的区域内的各种条件保持相似，即要求　结构的支承条件相似、约束情况相似、边界受力情况相似。模型　结构的支承和结束条件可以由与原型结构构造相同的条件来满　足和保证。　２模型设计　２．１　模型比例的选择　几何相似是相似理论和模型设计的基本要求。首先要选择　适宜的几何相似常数即模型比例。在一般情况下，按相似条件选　用小比例模型（即Ｃｆ＝ｚ　／ｌｔ，＜１，如１：２，１：５，ｌ：１０等整数比）试验　是比较可行的。　在决定模型比例时要考虑模型材料和结构类型。如果用钢　筋混凝土做模型材料时比例不能太小；如果实物的细部构造影响　不大时就可以做比例比较小的模型。另外还要考虑加载设备与　测试仪器的能力、加工条件和费用等因素，尤其加载设备的能力　往往成为模型尺寸的主要控制因素。　当自重对应力分布有很大影响时，模型比例的选择会受到模　型材料的限制。自重Ｇ＝ｐＬ　ｇ，所以自重中的相似常数Ｓ　＝　ｓ．ｓ￣ｓ　，已知外荷载的相似关系为Ｓ　＝ＳＥＳ　，若使外荷载和自重都　满足相似关系时则要求Ｓ。：Ｓ，，则有ｓ．ｓ　＝Ｓ　，故Ｓ　：ＳＥ／　。这　一条件要求自重对应力有较大影响的动力试验中，模型比例Ｓ　不　能任意选取，必须满足上式条件，通常是很难满足的，在一般的结构　试验中这一条件只能放弃，或者采用附加质量的办法加以弥补。　２．２模型材料的选择　在选用模型材料时要考虑：满足相似条件；有足够的量测精　度；易于制作加工且性能稳定；节省费用和试验时问等。　１）弹性模型试验。弹性模型试验的目的是要从中获得原结　构在弹性阶段的资料，研究范围仅局限于结构的弹性阶段。一般　说来，弹性模型的制作材料不必和原型结构的材料完全相似，只　需模型材料在试验过程中具有完全的弹性性质，但是，弹性模型　的试验结果不能推测原型结构超过弹性阶段后的反应和性状。　要求与材料性能有关的弹性模量、泊松比、比重或密度、阻尼等物　理量满足相似条件。如：金属模型、有机玻璃模型等。２）强度模　型试验。强度模型的试验目的是预计原型结构的极限承载力以　及原型结构从弹性工作状态直到破坏荷载甚至极限变形时的全　过程性能。理论上讲，强度模型试验材料的应力一应变曲线必须　与原型相似，而且施加于模型的各类荷载形式与阻尼效应等应当　更接近实际；施工中的缺欠如收缩和约束条件等也应在模型中尽　量模拟，但实际上很难做到完全相似的程度。３）间接模型试验。　间接模型试验的目的是要得到关于结构的支座反力及弯矩、剪　力、轴力等内力的资料（如影响线图等）。因此，间接模型并不要　求和原结构直接相似。例如框架的内力分布主要取决于梁、柱等　构件之间的刚度比，梁柱的截面形状不必直接和原型结构相似。　为便于加工制作，常常用圆形截面代替实际结构的型钢截面或其　他截面。这种不直接相似的模型试验结果对它的试验目的来说，　并不失去其准确性。问接模型现在已很少使用而被计算机分析　所取代。　３结语　收稿日期：２０１０—０７—１５　作者简介：侯宇颖（１９７８．），女，硕士，讲师，南京三江学院土木工程学院，江苏南京２１００１

湖南省“路桥杯”大学生结构模型创作竞赛

中南大学

参赛设计方案说明书

作品名称 剑 桥

学校名称 中 南 大 学

学生姓名 专业班级

学生姓名 专业班级

学生姓名 专业班级

指导教师

联系电话

二○○六年七月十四日目 录

摘 要............................................................................................... 2

1 设计说明 书 ................................................................................... 3

1.1 概述 ..................................................................................... 3

1.2 方案简介 .............................................................................. 3

1.3 结构模型及方案特点 ........................................................... 4

1.4 应用前景 .............................................................................. 5