结构大赛计算书 2012.4.6终版1.doc

浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛 海洋平台在风荷载作用下的最佳建筑结构形式设计方案学校名称浙江大学作品名称 快乐的大脚 参赛院系建筑工程学院参赛队名 09卓越参赛学生联系电话二零一二年四月目录第一部分 设计说明书21.设计背景与结构选型21.1.背景21.2.结构选型31.3.抗侧体系62.模型制作72.1.模型加工图（含材料表）72.2.杆件数量表112.3.模型细部及节点构造123.模型模拟效果图154.模型实物图15第二部分 计算书161.结构模型荷载作用分析161.1.重力荷载分析161.2.风荷载分析172.结构模型计算分析172.1.计算模型假定172.2.计算模型结果192.2.1.静力分析结果192.2.2.考虑风荷载的波动242.2.3.整体稳定性屈曲分析282.2.4.结论32参考文献：33第一部分 设计说明书1. 设计背景与结构选型1.1. 背景地球上71%的表面被海洋覆盖，对于人类来讲，海洋是一个巨大的财富，尤其是伴随着工业的发展，人们对能源的需求与日俱增，地上有限的能源已逐渐不能满足人类的需求，因此，开发海洋资源已经成为人们的当务之急。同时，由于海洋平台工作环境是在近海海面上，受到风浪等荷载的作用，因此寻求合理的抗风浪结构形式和对其安全性和可靠性的分析评价是确保其在服役年限内正常使用的必要环节。 海洋平台及其构造1.2. 结构选型本次竞赛为寻求海洋平台在风荷载作用下的最佳结构形式。首先通过对赛题的初步研究，我们在桩基式固定平台或半潜式浮动平台中做出选择。考虑到“模型在加载池中安装和比赛的整个过程，参赛队员的双手不能触碰到水面”以及“每个锚只能从水面高度一次性自由放下”的情况，使得半潜式浮动平台的可操作性难度非常大、锚位置的随机性不好控制以及本身我们小组对半潜式浮动平台的认识的不足，选择了桩基式固定平台的设计方案。初期，我们设计了薄壁柱的模型，这是考虑到比赛计分规则中最轻模型得分权重大的情况，如下图（图1-21）所示的设置。图1-21经过试验我们发现，由于结构主要承受水平荷载，薄壁结构模型底部剪力弯矩过大，导致底部破坏。通过此次试验，我们总结认为水平荷载下应该加强底部构造，并且模型各个侧面的杆件过多。由此我们对之后的模型进行了一定的改进，将四根柱脚截面做成了变截面形式，将底面尺寸由280mm280mm改为500mm500mm,并且去除了多余杆件（如图1-22）。图1-22在之后的试验中我们发现，在不稳定的风力荷载下，此种薄壁结构可能出现弯曲和挠曲变形，从而导致结构的先失稳后材料破坏。在之后的不断试验中我们发现斜撑对模型的刚度贡献很大且易控制，于是我们在模型底部增加了四个三角支脚、做了柱脚加固，同时为加强模型的整体性，我们在模型底部加了整体箍筋，并且利用塑料板做了整体柔性箍筋拉丝，同时每个柱脚加了横向加劲肋。通过长期的设计研究及试验验证，我们最终确定了如下的模型结构。图1-231.3. 抗侧体系本模型通过变截面形式、添加柱脚加固、底部设置三角支脚、设置整体箍筋和柔性塑料拉丝四个设计形成了简单而又有效的抗侧体系，并且有效地减轻了结构的自重，可以有效防止模型在水平风荷载和竖向荷载综合作用下发生倾覆或破坏。2. 模型制作2.1. 模型加工图（含材料表）a. 框架柱的制作：我们采用所发的1mm55mm1000mm的薄木板来制作框架柱。每根柱为沿高度变截面的等腰直角三角形，加工制作图如下（图2-11）所示。图2-11其中为增强框架柱的强度，我们还在柱内部以不同间距粘了横向等腰直角三角片作为加劲肋。如下图（图2-12）所示。图2-12b. 梁的制作：我们采用所发的3mm3mm的木条来制作框架梁。每根梁由两条木条粘接而成，形成6mm3mm的截面杆件，分布于顶部框架和侧向斜杆。加工制作图如下（图2-13）所示。图2-13c. 三角支架的制作：三角支架的做法同梁的制作方法相同。用于制作的木条规格为3mm3mm，定位尺寸可见后面三维图和实物图。图2-14d. 整体箍筋的制作：整体箍筋的做法同梁的制作方法相同。用于制作的木条规格为3mm3mm，定位尺寸可见后面三维图和实物图。图2-15e. 柱脚加固的制作：柱脚加固的做法同柱脚的制作方法相同。用于制作的薄板厚度为1mm，定位尺寸可见后面三维图和实物图。 图2-16 图2-17 图2-21（整体柱脚图） 图2-22（实物柱脚图）f. 材料表材料表材料用量长1000mm宽55mm厚1mm板 9张截面3mm3mm的杆件 50根2.2. 杆件数量表杆件数量表杆件名称数量长度柱脚板81200mm横梁（顶边）4200mm横梁（突出）456mm斜梁（顶）4262mm斜梁（其余）16183mm三角支架8300mm圈梁（边）4200mm圈梁（角）471mm支脚板12塑料拉丝12.3. 模型细部及节点构造为了保证模型的可靠性我们在节点处作了以下一些处理：a. 柱脚搭接部分我们用矩形片加强了柱之间的粘接牢固性。2-31b. 横向加劲肋的构造，为了增强柱脚的强度和刚度，我们特意在各高度设置了横向加劲肋 图2-32c. 考虑到斜杆粘结的冲突，采用了如此的粘结方法。图2-33d. 模型底部增加了四个三角支脚、做了柱脚加固，同时为加强模型的整体性，我们在模型底部加了整体箍筋，细节如图所示。图2-34图2-35e. 其他细部构造3. 模型模拟效果图4. 模型实物图 图4-1图4-2第二部分 计算书1. 结构模型荷载作用分析1.1. 重力荷载分析加载箱重量加载箱重量为3.3kg，作用面积为300mm300mm，等效为作用在模型顶端四个节点的力：水平砝码重186g砝码所施加的力为结构自重结构自重根据其截面尺寸和木板密度得到。1.2. 风荷载分析在压差的作用下大气发生流动形成风，风的强度通常用风压表示，风速和风压的关系通过流体力学中的伯努利方程表示：在标准大气压下，约为，则风压为，高度变化系数和体形系数均不考虑。等效为模型两个角点的节点力：2. 结构模型计算分析我们利用有限元分析软件ANSYS对结构在各种荷载下进行了静力和时程分析。2.1. 计算模型假定1) 计算基本假定：a. 结构模型所采用的木材连续、均匀；b. 梁与柱之间连接可靠，结点假设为刚结c. 结构模型插入水中砂内，支座采用三点铰接支座d. 未模拟加劲肋、三脚架、圈梁、塑料拉丝等稳固构造措施e. 顶部突出木杆起定位作用，对受力不影响，故也未模拟2) 在建立计算模型时，模型信息如下：整个模型采用两种单元类型：BEAM4和SHELL63，BEAM4单元参数包括截面的高度、宽度、面积和截面惯性矩，用来模拟所有的杆件；SHELL63单元参数包括节点处的厚度，用来模拟柱脚板。弹性模量,泊松比,密度（估计值）实常数编号单元类型截面积高度宽度1BEAM43.6E-51.08E-101.08E-100.0060.006厚度厚度厚度厚度2SHELL630.010.010.010.01有限元模型:2.2. 计算模型结果2.2.1. 静力分析结果荷载施加图：X方向位移图：杆件轴力图：杆件三向弯矩图：柱脚X单元方向应力图：柱脚Y单元方向应力图：柱脚X单元方向弯矩图：柱脚Y单元方向弯矩图：由以上数据分析可得，在赛题给定荷载条件下，该模型能够有效承载静力荷载，并且位移能够有效控制在一定范围内，能满足赛题所需的要求，对于图中部分出现的位移较大情况，我们也给予构造措施加以解决，通过多次试验证明了此结构的可靠性。2.2.2. 考虑风荷载的波动考虑到实际的风荷载可能不均匀而使结构产生振动，所以对结构进行模态分析，得到结构相应随频率的变化曲线，从而验证结构在扰动荷载下的性能。首先对模型进行模态分析，得到模型的前六阶固有频率：模态振型如下：接着施加谐振荷载谐振响应图由此知，外荷载为2.4Hz左右时会引起共振，这和固有频率分析结构较一致。2.2.3. 整体稳定性屈曲分析考虑到本结构为薄壁构件，可能发生扭转弯曲等屈曲现象，故对结构进行整体稳定性屈曲分析。屈曲荷载：加载箱重量为3.3kg，作用面积为300mm300mm，等效为作用在模型顶端四个节点的力：。模型底部采用三点铰接模式。屈曲加载模式屈曲模态由第一阶特征值屈曲分析知，临界载荷因子为139，故一阶屈曲的临界荷载为节点荷载，每个支座反力为，较为安全。观察后面屈曲形态可以发现结构式弯曲、扭转交替出现。2.2.4. 结论由以上数据分析可得，在赛题给定荷载条件下，该模型能够有效承载静力与动力荷载，并且位移能够有效控制在一定范围内，能满足赛题所需要求。同时我们也通过多次试验证明了此结构的可靠性。参考文献：【1】 金伟良，第一届全国大学生结构设计竞赛作品选编M.北京；中国建筑工业出版社，2006【2】 尚小江，ANSYS结构有限元高级分析方法和范例应