第六届结构设计大赛实验报告

1、第六届结构创新设计大赛实验报告书学 院：土木工程学院 专业班级：工程力学09-01班组 别：第3组组 长：徐 宁成 员：张小乐 钱亚运 吕玉玲季 刚 王巍桦 余俊师目录一、 实验目的及要求二、 实验设备三、 实验模型概述四、 竞赛规则五、 实验步骤六、 实验结果与分析七、 小组成员分工八、 参考资料一、 实验目的及要求(一)结构模型设计要求：设计制作一个建筑结构模型并进行振动试验。在满足下列要求的前提下，可以自由设计模型的形状及构造：1. 模型必须至少有4个平面楼层，楼层是以纸张制作，支撑的方式可以自由设计。一个平顶可视为是一个楼层。木板底座可以当作是模型的基础。 2. 模型总楼板面积必须在1

2、000至1800平方厘米的范围之内(不含底板面积)。模型总楼板面积包含内、外柱的截面积。每层楼板面积不得小于200平方厘米，楼层面积小于200平方厘米的不计入面积。为节省裁判量测计算楼层面积的时间，每一个组应完成一张草图，让裁判事先了解该楼层面积的计算方式。 模型楼板的中间不能有妨碍放置荷重块的柱子等结构。3. 每一楼层净高(即该楼层顶部与其上楼层底部之间的距离)不得小于10厘米，第1层净高不少于15厘米，模型总高不超过80厘米。 4. 在真正的建筑物中，每一层楼都会有窗户。在模型每一楼层的外围，每一侧必须留有开口，开口面积不小于外表面积的一半，在开口范围内不能安置任何材料，并且便于荷重块的放

3、置与取出。5. 模型中的每一楼层的每平方厘米必须能够承受 10 克的重量，模型必须能够同时承受每一层楼所应承受的总重量。6. 模型的每一个楼层必须有放置荷重铁块的固定架，用于模拟载重的铁块必须固定在每一层楼层位置。模型在进行人造地震实验之前，必须先将铁块安置在固定架上。如果铁块从模型中脱落，该模型即丧失比赛资格。铁块与固定架之间必须留有一点空隙，以方便铁块的取出与安放。每一个铁块的尺寸大小会稍有不同。1个荷载铁块的尺寸约为100×150×10毫米。（二） 材料 1. 10根2米长的木条，其断面约为6×15毫米。 2. 乳胶1瓶。 3. 木质模型底板。木板厚度约0.

4、6厘米，长与宽分别为25厘米乘25厘米。除了必要的钻孔之外，木板必须保持完整。底板的中心有一个直径为16毫米的孔，用于实验时与振动台连接。 4. 适量的废旧纸张（只能用于楼面），为了环保必须使用旧纸张。二、 实验设备（1）河北工程大学振动台河北工程大学振动台设备采用从英国SERVOTEST公司引进的伺服液压式振动台。该振动台主要参数见下列所示。（2）河北工程大学振动台主要参数： 1.台面尺寸：3m×3m 2.最大载重量：10t 3.工作频率：0.250Hz4.震动方向：水平方向单自由度振动5.振动波形：各种地震波、随机、周期波6.最大加速度：满载时最大加速度为1.2g7.最大速度：1

5、.0m/s（地震波速度指标1.0m/s持时20秒；连续速度指标0.5-0.6m/s。）8.最大位移：±100mm9.最大倾覆力拒：30tm10.最大偏心力矩：100 kN·m 左右三、 实验模型概述（1）模型简述1.模型采用八边形平面结构，共有五个承重层。总高度72cm，单层面积245.6cm2,自重1.47kg。平面布置力求对称，竖向布置力求均匀。2.采用八边形的对称结构，柱的单向惯性矩较大，与另一方向形成互补，使模型在各个方向均有较大的抗弯刚度。3.梁柱连接点采用销钉连接，在保证强度和稳定性的同时，节省了材料。4.由于八个柱的平面布置较为理想，在加上垫块之后，可直接固定

6、荷载铁块，从而免去了其余大量的固定物。（2）预计可能的破坏顺序：1销钉连接处胶水先失效；2板与柱连接失效;3销钉断裂；4柱脚或底板开裂；5结构散开垮塌，模型最终破坏。另外，模型也可能由于共振和严重的扭转变形而破坏。第六届结构设计大赛模型参数表模型编号17模型名称天极塔班级小组工程力学09-01班 3组成员：徐宁，张小乐,钱亚运，吕玉玲，季刚，王巍桦，余俊师模型总高（mm）720第1层净高（mm）160第2层净高（mm）110第3层净高（mm）110第4层净高（mm）110第5层净高（mm）100模型总面积（mm2）24560*5=122800第1层面积（mm2）24560第2层面积（mm2）2

7、4560第3层面积（mm2）24560第4层面积（mm2）24560第5层面积（mm2）24560模型自重（g）1470附加质量总重（g）（组委填写）加罚质量（g）（组委填写）1层附加质量（g）2层附加质量（g）3层附加质量（g）4层附加质量（g）5层附加质量（g）加权值1加权值1加权值1.5加权值1.5加权值2实验加速度峰值（g）最大峰值加速度4.2g模型效率计算：W=(W1+ W2)×1+ (W3 + W4)×1.5+W5×2 =(3.3+ 3.3)×1+ (3.3+ 3.3)×1.5+3.3×2 =23.1（kg），模型自重M1

8、=1.47(kg)，加罚质量M2=0，g备注四、 实验及竞赛规则（一）竞赛规则1、每个小组应交设计计算书一份。2、每个小组应按时间要求进行模型展示和实验。3、模型实验前进行模型称重，并进行记录。4、由组委会确定模型振动的方向。按振动方向将模型安装在振动台上。5、按模型各层面积加载附加质量 ，数量为10g/cm2。6、振动台施加人工地震，共7次，加速度最大峰值分别为0.2g,0.3g,0.4g, 0.5g,0.6g,0.7g,0.8g。（二）实验成绩评价1在振动台实验中，模型发生以下现象，即判定模型破坏，激振强度按上一级加速度值计算。 （1）模型中的任何一个楼层发生坍塌现象。 （2）荷载块飞出模

9、型。 （3）模型的结构与底板已分离且发生脱离底板的晃动。 （4）半数或半数以上的柱子已脱离底板。 （5）其它裁判认为结构已破坏的状况。 2模型效率评定模型效率系数a-模型实验的加速度峰值，如模型在0.6g时破坏，则a=0.5g。W-模型等效附加荷载值，W=(W1 + W2)×1+ (W3 + W4)×1.5+W5×2+W1、W2分别为第1、2层等的荷载值。系数1、1.5、2等为加权值，第1、2层的加权值为1，第3、4层的为1.5，5层以上的为2。M-为模型的总质量，包括模型的自重M1和因违反规定加罚的质量M2，加罚的质量由裁判决定。（三）设计计算评价各组提交的文件

10、：1 设计计算书；2 展示用创意说明宣传单；3 模型参数表；4 用于说明个人工作的相关材料（笔记，图纸，照片等）。五、 实验步骤1、4月17日（第9周周2）下午在校园内展示所有模型作品2、4月24日（第10周周2）决赛上午8:00：提前将模型固定到振动台上；下午2:30：正式比赛。3、加载过程（主要）及模型响应：第一次加载：最大峰值加速度0.2g，工作频率0.210Hz；模型顶部晃动，状态稳定。第二次加载：最大峰值加速度0.4g，工作频率0.210Hz；模型顶部晃动，状态稳定；有其他模型出现开裂迹象。第三次加载：最大峰值加速度0.6g，工作频率0.210Hz；模型顶部晃动，状态稳定；第13组模

11、型破坏。第四次加载：最大峰值加速度0.8g，工作频率0.210Hz；模型顶部晃动加大，状态稳定，未出现损坏迹象。第五次加载：最大峰值加速度1.1g，工作频率0.210Hz(有所增大)；模型顶部在加载中间阶段晃动剧烈，但未出现损坏迹象；有模型破坏。第六次加载：最大峰值加速度2.1g，工作频率0.210Hz；模型初始阶段晃动幅度较大，状态稳定；没有模型破坏。第七次加载：最大峰值加速度2.4g，工作频率0.210Hz；模型初始晃动剧烈，随后状态保持稳定；第4组（六层）模型柱脚与底板脱离，模型失效。第八次加载：最大峰值加速度估计为2.8g(未说明)，工作频率0.210Hz(很高)；模型整体晃动幅度不大

12、，开始出现二阶主阵型，状态稳定；有两个模型破坏。第九次加载：最大峰值加速度大于等于3.0g，工作频率0.210Hz(较高)；模型整体晃动幅度较小，状态稳定。最后一次加载：最大峰值加速度4.2g，工作频率0.210 Hz(较高)；模型整体晃动幅度不大，表现为二阶主阵型，状态稳定；其余两组状态稳定。3、比赛过程图片模型固定低频率时振幅较大六、 实验结果与分析（1）实验中最大峰值加速度达到4.2g，模型未出现明显破坏，状态较为稳定，取得了良好效果；（2）最后计算得模型效率系数为67.2，在同组模型中为第一；（3）最后拆下模型时，可以发现：1四层销钉连接处胶水已开，成为铰结，这与预期符合的较好；2.

13、所有销钉均未出现断裂现象，说明其强度完全满足要求，这与计算结果一致；3底板及柱脚未损坏，好于预期效果，可能是由于上部结构位移较大，耗能较多。4. 底板固定未出现松动；5模型在整个振动过程中未出现较明显的扭转变形。（4）模型在加载过程中表现出优异的抗震性能，完全体现出了最初的设计思路，最大的优点在于：1八边形平面结构，整体稳定；且由于模型对称性较高，在两个方向刚度几乎相同，没有弱向；2销钉连接，强度可靠，同时使模型节点在振动过程中由刚结变为铰结，改善受力性能；3柱的布置合理，铁块的固定完全不需要胶带绑扎（第五层的垫块在实验前已经去掉）；4结构整体性好，错层布置不会散架。七、小组成员分工（1）模型设计：徐宁、张小乐；（2）模型各构件制作：徐宁、张小乐、钱亚运、王巍桦、季刚、余俊师；（3）模型组装、粘结：张小乐、徐宁、钱亚运；（4）大赛宣传海报、PPT制作：吕玉玲、徐宁；（5）设计计算书、实验报告书写作：徐宁。八、参考资料材料力学（第二版），单辉祖，高等教育出版