第五届全国大学生结构设计竞赛作品

6、模型加工图及材料表 ………………………………………………12
6.1模型加工图 …………………………………………………………13 6.2材料表 ………………………………………………………………1
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1 设计说明
竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。模型 包括小振动台系统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个部分，模型的各层楼面系统 承受的荷载由附加铁块通过实现，小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通 过热熔胶固定于屋顶，我们主要进行多层结Leabharlann Baidu模型设计与制作，并通过螺栓和竹质 底板固定于振动台上，竞赛规定了结构的楼层数，限制了结构的高度，及每层的层 高和楼层有效承载面积的范围。竞赛目的是为了在全面满足竞赛要求的前提下，通 过合理设计模型的结构形式以及屋面荷载的分布方式，实现较大的结构强度、刚度 以及稳定性，以承受单向水平地震作用，并且通过实验计算做到模型结构效率比最 大。整个分析设计过程需要综合运用动力学、结构力学和材料力学等相关的力学知 识。
大的效率比，我们采用如下方式布置荷载。 第一层，在楼层中间放置一个小铁块，共计675g。第二层，在整个楼层范围大
小铁块各放置三个，共计7425g。第三层，在整个楼层范围内放置九个大铁块和八个 小铁块，共计21600g。结构顶层水箱注满水，质量约为4000g。布置详图见图4。
图4 铁块布置详图 （2）地震作用
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目录 1、设计说明 ………………………………………………………………2 2、结构选型 ………………………………………………………………2 3、结构建模及主要计算参数 …………………………………………3
3.1、分析假定 …………………………………………………………3 3.2、材料特性、几何模型 ……………………………………………3 3.3、静、动力荷载参数 ………………………………………………4 3.4、有限元模型的建立 ………………………………………………5
4、结构受荷分析 …………………………………………………………5
4.1、位移计算结 ………………………………………………………5 4.2、地震作用下的应力状态………………………………………… 8
5、节点构造 ………………………………………………………………11
5.1、支座节点 ………………………………………………………11 5.2、梁柱节点 ………………………………………………………12
本次竞赛采用振动台单方向加载，通过输入实测地震动数据模拟实际地震作用。 振动台输入的地震波取自2008汶川地震中什邡八角站记录的NS方向加速度时程数 据，原始记录数据点时间间隔t为0.005s，即数据采样频率f为200Hz，全部波形时 长为205s，峰值加速度581gal。截取原始记录中第10s~42s区间内的数据，并通过等 比例调整使峰值加速度放大为1000gal，作为本次竞赛加载所用的基准输入波，如图 5所示。
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加速度/gal
1000 800 600 400 200 0
-200 0 -400 -600 -800 -1000
竞赛加载所用的基准输入波（什邡八角记录NS方向第10s-42s区间）
在构件截面的选取方面，遵循杆系结构的受力原则，保证主要受力构件的贯通， 次梁与之相贯搭接。从尽可能充分发挥材料性能的角度出发，支承骨架结构构件采 用矩形管封闭截面，以增大截面惯性矩。采用的竹材非各向同性材料，顺纹向模量 大于横纹向模量，因此，在模型的制作中均使构件长度方向与木材顺纹向同向。
3 结构建模及主要计算参数
3.1 分析假定 （1）上部模型结构通过502固定在竹制底板上，底板通过螺栓与振动台连接，根
据其约束情况，在结构分析模型中，结构模型与底板连接节点约束取为理想刚性约 束。
（2）所有结构构件均在弹性范围内工作，即计算时不考虑结构的材料非线性， 但为了提高位移计算结果的精确性，分析时考虑结构的几何非线性影响，即在 ABAQUS 分析时打开大变形效应开关，将NLGEOM 设为ON。
从竞赛要求给定的平面尺寸来看，我们认为采用空间杆系结构是较理想的选择。 空间杆系结构具有大空间的建筑功能优势，同时在视觉上，我们也希望以尽量少的 杆件形成较强大的空间结构，并通过设计空心柱来减小杆件的截面尺寸。我们设计 的结构模型效果如图 1（空间模型）所示，实物图如图 2 所示。
图 1 结构模型效果图
在结构外形的选择方面，考虑到模型结构需承受较大的水平荷载，在负载情况 下，结构的侧向挠度变形极容易造成构件的破话从而导致结构的整体失稳倒塌，为 控制挠度充分发挥构件强度，综合以杆系结构受力特点，平面杆系之间通过横向系 杆连接且每层之间设剪刀式斜拉条加强以防止柱因挠度过大失稳，增强结构的整体 性。 此外为了加固柱脚和底板的连接防止结构的整体倾覆，我们在柱脚处设置了空 间三角形肋角进行加固，增大了柱与底板的接触面积，使柱脚和底板的连接更为牢 固，增强柱子底部的抗弯强度。
图 2 实物图
2 结构选型
根据此次竞赛要求，模型结构不仅要承受竖向荷载，而且要在负载的情况下承 受地震作用，地震作用只单向进行，但加载方向将会根据抽签方式决定，所以采用 中心对称的外形，俯视图每层均为正方形，已达到各向同性的目的。我们在结构选 型过程中分别从结构体系及结构外形两方面进行了分析。
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在结构体系的选取方面，由于杆系结构整体刚度较大，能承受较大的竖向荷载 作用，且传力最为直接、高效，非常适用于多层结构模型。另外，从模型制作的角 度看，考虑到采用单纯的竹材较难实现复杂的节点形式制作以及预应力施加，因此 本次结构不采用网架结构体系或预应力结构体系（如悬挂结构、张拉结构）的设计 方案。
3.2 材料特性、几何模型 本次结构模型设计采用竹质材料。构件结构及与底板之间的连接采用胶水（502
胶）粘结。竹材为各向异性材料，力学性能为：弹性模量 1.0×104MPa，抗拉强度 60MPa。最终采用的主结构几何模型如图 3 所示。
图 3 几何模型图
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3.3 荷载参数 （1）静力荷载 本次赛题要求是在结构负载的情况下施加水平地震作用，为了使结构能获得较