全国赛吊脚楼-计算书修订

1、前言据统计，全球每年平均发生800多万次左右的泥石流和山体滑坡。如果泥石流发生在人类居住区，就可能造成严重的泥石流灾害。重庆是泥石流、山体滑坡等地质灾害较为严重的地区之一，这些自然灾害是大自然向工程人员提出的一个重大挑战，如何提高吊脚楼建筑抵抗这些地质灾害的能力，是工程师们应该想方设法去解决的问题。本次结构设计竞赛以模拟吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为题目，具有重要的现实意义和工程针对性。根据大赛要求，我们采用结构设计软件结构力学求解器和SATWEY，经过多次优化，最后采用了直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系，该体系是在平面尺寸保持不变的直筒式框架结构的基础上，在其上部布置预应力拉条而

2、成。本计算说明书主要从结构方案、材料力学性能、计算方法和基本假定、结构分析四个部分进行阐述。在材料力学性能实验的基础上，我们采用结构分析软件SATWEY，分别对制作的模型分别进行了反应谱分析和时程分析，并采用质量球冲击模拟泥石流或山体滑坡。分析和试验结果表明，直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系既能充分利用竹材的抗拉性能，又具有良好的稳定性和优异的抗冲击性能。第1章 结构方案1.1 设计构思 选择合理的结构形式 形式服从功能，建筑物应适应时代的要求，注重功能，力求发挥和表现结构与材料的美学特点是我们追求的目标。此多层房屋结构设计方案的选择，很大程度上取决于结构形式的选择。在追求功能和外观的同时

3、，我们着重考虑了结构体系的合理性，经济性和实用性。结构设计，应以“安全，高效”为核心，力求“创新，经济，质轻，美观”。 结构主要承受冲击荷载影响。比赛中采用的三级冲击荷载分别对应实际情况中的小、中、大等级泥石流和滑坡。如何使结构在兼顾美观、经济的同时满足各级冲击荷载下的功能要求，成为我们着重考虑的问题。 关于模型设计的若干考虑 在满足强度和稳定的前提下，对结构起控制作用的变量主要是模型自重、楼层高度设置以及竖向荷载在楼层间的分布。各个变量彼此相关，不同的结构选型在这些方面有较大差异，需要在理论和实践上进行分析和比较。同时，由于是冲击荷载，模型设计应考虑动力荷载作用下结构能否满足强度和稳定的要求

4、。在结构选型中，我们对各种结构形式进行了比较详尽的理论分析和实验比较，着重分析结构自重和荷载分布，以期达到较大的效率比。具体措施有以下几点： = 1 * GB2 根据模型的制作材料，选择适当的结构形式，提高结构刚度和整体性，符合“强柱弱梁”，“强剪弱弯”的要求； = 2 * GB2 针对不同的结构形式，在保证安全可靠的前提下，尽量优化模型、减轻重量，使荷重比达到最大； = 3 * GB2 针对不同的荷载分布，通过大量加载实验，观测模型的加速度和位移，在满足安全的前提下，尽可能提高效率比； = 4 * GB2 由于制作材料是竹皮和胶水，两者的材料力学特性均未知，因此需做材料性能试验，包括竹皮抗拉

5、强度试验、竹皮抗剪强度试验、短柱抗压试验、长柱抗压试验、胶水抗剪试验等； = 5 * GB2 合理运用竹皮材料的特性，充分发挥其优越的力学性能； = 6 * GB2 所有杆件的计算长度及控制长细比均按压杆考虑，以保证安全； = 7 * GB2 精心设计和制作构件及节点板，发现问题及时解决，从实践中不断总结，敢于创新，打破思维定势的约束； = 8 * GB2 合理借鉴其他团队的成功经验，经常交流沟通。 1.2 结构选型 模型结构选型 在模型计算、制作和实验过程中，不同模型都有自己的优缺点，从质量及结构整体稳定性等方面考虑，找出较为合理的结构类型。在整个设计过程中，我们考虑过如下四种体系： = 1

6、 * GB2 纯框架结构体系 该体系传力明确，结构简明，模型制作简便，能满足基本功能要求，但整体刚度小，抗侧力、抗震性能较差，若要满足比赛抗震要求则需要加强节点连接，增大梁截面，整体自重加大。 = 2 * GB2 框架核心筒结构体系 该体系刚度大，整体性强，抗震性能优越，模型造型美观。通过试验表明，核心筒抗震实际效果不显著，并且制作较繁琐，模型自重大。 = 3 * GB2 框架拉条结构体系该体系以纯框架结构为基础，在结构上部布置拉条。该体系能够充分利用竹材的抗拉性能，结构刚度降低，抗扭能力有一定提高，但拉条如果存在缺陷，结构位移过大在结疤脆弱处容易产生脆断，选材需慎重。 = 4 * GB2 框

7、架支撑结构体系 该体系以纯框架结构为基础，在结构底部布置支撑。该体系静承载力强，整体性好，抗侧刚度大，模型自重偏大，模型造型美观精致。在加载试验中表现出令人满意的抗冲击性能，若能较好地控制模型质量，该体系效率比较高。通过试验显示，支撑会在冲击荷载作用下产生较大的冲击反力，减小了上部结构较大的水平侧向位移。在整个设计周期中，我们以“轻质高强，实用美观”作为设计指导思想，采用结构设计软件进行反复模拟计算，并进行地震模拟加载，逐一淘汰了相对薄弱或自重较大的结构体系，最终选定了框架支撑和框架拉条组合结构体系。在确定组合结构体系中的框架形式时，我们考虑了两种情况：直筒式框架，每层平面尺寸一致；塔式框架，

8、从上到下平面尺寸依次缩小。通过比较，发现直筒式框架能够有效减少柱的偏心和扭转引起的不良影响，因此最终选择了直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系作为我们的参赛作品。 模型设计特色 直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系具有如下特色： = 1 * GB2 合理用材，充分发挥了两种不同材料的力学性能 竹皮抗压强度较高，抗剪强度较弱，因此应尽量避免竹材受剪。竹皮做成的三角筒作为柱充分利用了其抗压性能，减轻了结构自重。胶水抗剪强度较高，抗拉强度低，因此在节点处尽量避免了胶水抗拉。 = 2 * GB2 传力方式简洁明确，避免了复杂节点处理，杜绝薄弱环节的存在 设计应用钢结构节点连接设计方法，采用节点板连接节

9、点，连接传力可靠，节点连接刚度大。放样、制作标准化，提高了制作精度。 = 3 * GB2 用材节约，经济性好 模型以矩形筒作为次梁传递竖向荷载，以支撑增大结构抗侧刚度，充分利用了竹材的抗拉性能，提高了模型的效率比。 = 4 * GB2 注意选材 经仔细观察，我们发现提供的材料分为顺纹和斜纹两种不同形式，实验表明，顺纹的抗拉强度明显优于斜纹板件，因此在板件的挑选上也需细致认真。 = 5 * GB2 形式新颖，造型美观 模型多用杆件，造型轻巧、美观。楼层平面做成直筒形式，既避免柱的偏心和扭转，又使造型新颖、大方。 = 6 * GB2 预应力的使用成为本模型的一大亮点 为了提高材料利用率，本模型创新

10、地采用了竹皮湿胀干缩的特性，将杆件按设计长度润湿后粘贴，干燥后自然产生的预拉应力起到了良好的提高刚度的效果。1.3 结构布置 图1.1为本次参赛的结构方案。结构底部为吊脚层的下部大空间，以上为三层建筑使用层。结构总高1000mm，第14层层高分别为340mm、220mm、220mm及220mm。各层平面布置如图1.2所示，其中楼面采用拉条制作。模型构件截面尺寸如表1.1所示，其中梁截面均为箱形截面，规格为高度宽度腹板厚翼缘厚（单位为mm，以下同）；柱截面为等腰直角三角截面，规格为直角边斜边厚度（单位为mm，以下同）；拉条截面规格为宽度厚度（单位为mm，以下同）。 图1.1 结构方案效果图图 第

11、一层 (b) 第二层 (c) 第三层 (d) 第四层 图1.2 结构各层平面图（单位：mm） 图1.3 结构正立面图（单位：mm） 表1.1 构件截面尺寸表(单位：mm)层号柱截面尺寸梁截面尺寸楼面拉条撑杆120280.720120.554根80.2216100.554根80.2316100.554根80.2420120.558根80.2第2章 材料的力学性能确定合理、真实的材料力学性能是进行结构整体受力分析和模型制作的前提。在进行结构分析和模型制作之前，我们分别对制作构件的材料（竹材）及连接材料（502胶水）进行了力学性能试验，以确定其力学参数。2.1 竹皮力学性能实验竹皮作为模型材料，其力

12、学特性是顺纹抗拉性能良好，韧性大，逆纹抗撕裂能力不及顺纹抗拉能力，抗压弯能力均较弱，并且竹皮可能存在结疤脆弱区，会显著降低其力学性能。根据模型结构方案，我们分别沿竹材顺纹制作拉条及长柱进行试验，其中拉条用来测定抗拉强度、弹性模量、抗剪强度等，长柱用来进行确定稳定系数。制作长柱时，将竹皮沿顺纹方向裁成竹条并用502胶水连接为箱型截面。 试件强度试验 = 1 * GB2 拉条抗拉试验共制作2个拉条试件进行抗拉试验，试验结果见表2.1。竹皮抗拉强度取为75MPa，弹性模量E取为7500MPa，屈服强度取为65MPa。表2.1 竹皮抗拉试验结果试件编号试件尺寸（宽厚长）（mmmmmm）横截面面积(mm

13、2)极限抗拉承载力(N)极限抗拉强度（MPa）弹性模量E（MPa）屈服强度（MPa）19.50.552505.22537872.34475006529.50.352503.32525676.992 = 2 * GB2 竹皮抗剪试验共制作2个抗剪试件进行抗剪试验，试验结果见表2.2。竹皮抗剪强度取为30MPa。表2.2 竹皮抗剪试验结果试件编号试件尺寸（宽厚）（mmmm）横截面面积(mm2)极限抗剪承载力(N)极限抗剪强度（MPa）1600.3521216.50430.312200.35774.20530.601 长柱稳定试验共制作6根不同截面尺寸的长柱，每种规格的柱子共3根。稳定试验结果见表2

14、.3，其中F1F3分别表示每种规格的3根柱子分别测得的最大轴向力，F表示最终确定的轴向力；表示长细比；表示稳定系数。表2.3 长柱稳定试验编号规格F1F2F3F134020280.7172.8167.4181.2173.854.0640.117222020280.7257.5262.6246.8188.9761.2560.1812.1.3 竹材密度 取三块100mm100mm0.2mm（长宽厚）的竹材，测得质量分别为1.84g，1.79g，1.81g，取平均值得1.813g，进而算出密度为0.907g/cm3，由于在制作的过程中有502的渗入，我们近似确定竹材的密度为1.00g/cm3。 2.

15、2 胶水力学性能实验 制作1根试件，用以测定502胶水抗剪强度，试验结果见表2.4。502胶水抗剪强度取为7.5MPa。表2.4 502胶水力学性能试件编号试件尺寸（宽厚）（mmmm）横截面面积（mm2）抗剪承载力（N）抗剪强度（MPa)110330225.2347.5082.3 试验得出的结论 从以上的材料力学性能试验，可以得出如下结论： = 1 * GB2 竹皮沿横纹不易制作，容易折碎，抗拉及抗压强度均较顺纹差，因而沿顺纹加工成箱型截面的杆件，均匀涂胶后抗压强度满足要求； = 2 * GB2 竹皮拉条抗拉强度高，但试验显示破坏多出现在结疤脆弱处，因而在选取拉条材料时，要求其上的缺陷尽量少；

16、 = 3 * GB2 竹皮杆件的强度指标离散性大，变异性强，手工制作存在误差，在确定强度指标时应取较高的安全系数； = 4 * GB2 竹皮为各向异性材料，顺纹方向受力性能较横纹方向好，制作中要避免横纹受力； = 5 * GB2 竹皮的抗压及抗拉强度与其厚度成正比，经试验，相同尺寸不同厚度的杆件，0.5mm厚度的杆件力学性能符合要求，因而杆件一律采用0.5mm厚的竹皮制作； = 6 * GB2 比较打磨后的竹皮杆件和0.5mm厚原始竹皮制作的杆件，相同尺寸的杆件，打磨后的杆件承载力未有多大的减弱，而质量得以减轻。建议采用打磨后的杆件； = 7 * GB2 涂过量胶水与适量胶水的相同尺寸的杆件相

17、比较，涂过量胶水的杆件承载力没有多大的提高，但重量却增加并且影响美观，因而杆件应打磨掉多余胶水，但要保证拼接处粘贴牢靠； = 8 * GB2 观察杆件破坏情况发现，过度打磨后的杆件及胶水不均匀处更易出现破坏，因而应提高打磨质量，尽量打磨均匀，切除边缘过薄部分，涂胶应均匀； = 9 * GB2 两杆拼接处是薄弱处，除涂以适量胶水外还需在外缘粘贴节点板，经试验只有0.5mm厚竹皮制作的节点板能够保证安全要求。第3章 计算方法和基本假定3.1 计算方法和计算模型假设3.1.1 计算方法主要采用将模型简化，近似等效成平面刚架体系进行计算。而计算部分运用清华大学土木系结构力学教研室开发的“结构力学求解器

18、”软件进行大部分计算。3.1.2 计算模型假设 = 1 * GB2 由于根据本模型加载方向得知主要承力方向为外法线的两个方向，也就是加载方向在同一个竖平面内。且根据结构本身特性，每层梁与柱采用开槽插入灌胶，因此可以将其假设为刚接； = 2 * GB2 而二至四层斜撑刚度较小，柔度较大，考虑其有转动的趋势，所以将斜撑设为铰接； = 3 * GB2 另外，底层斜撑与柱连接时可能产生转动，所以设为铰接，而与地梁连接时，由于地梁刚度比斜撑大很多，所以可视为刚接，这点在利用结构力学求解器时，得到验证。由于支撑对框架的作用主要体现在抗侧刚度上，考虑计算的简便性，采用单榀框架结构的计算简图，综上所述，则可以

19、得到如下所示的基本计算模型。 图3.1 计算模型简图3.2 模型计算荷载分析及截面性质分析3.2.1 已知荷载：模型顶部20kg铁块（200N)，四层铁块2.5kg(25N) ，三层铁块2.5kg（25N），二层铁块2.5kg（25N)，具体如下表所示：表3.1 各层重量计算（包括自重）层数分项1层2层3层4层各项总计总质量质量(kg)铁块2.52.5202528.4加载装置2.52.5模型0.30.20.20.20.9各层重量2.82.72.720.23.2.2 模型简化时的荷载等效计算楼面荷载等效计算： = 1 * GB2 计算思路：由计算模型可知作用在模型楼面的是面均布荷载，于是所有计算

20、就是将楼面或屋顶的铁块荷载视为面均布荷载。而作用在横梁上的是线均布荷载，直接将其等效为作用在有效承载面上的面均布荷载，然后乘以宽度转化为线均布荷载。 = 2 * GB2 计算过程：计算顶面有效承载面积则，由于每层板面为方形，故各边长相等。等效在每根柱子上所承受的集中力表3.2 各楼层参数表层号（）（）（）（）1484000.11366.2520.11366.2530.11366.2540.004130.909150第4章 结构分析本章采用结构分析软件SATWEY，在第2章实测的材料力学性能参数的基础上，针对第1章建立的直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系结构模型分别进行静载和冲击荷载分析，得出

21、其内力及变形，并进行构件验算，以验证该方案的合理性和优越性。除了结构整体分析之外，还对楼面拉条近似进行了内力分析和强度校核。 4.1 结构分析模型 此结构为直筒式框架支撑和框架拉条组合结构，涉及杆件较多，通过手工计算难以获得准确的计算结果。因此，我们采用结构分析软件SATWEY中建立计算模型。所采用的分析假定如下： = 1 * GB2 结构分析模型柱底用502胶水在底板上固定，底部约束取为固定端； = 2 * GB2 所有结构杆件均在弹性范围内工作； = 3 * GB2 铁块荷载简化为均布线荷载加在横梁上； = 4 * GB2 顺纹方向材质连续、均匀； = 5 * GB2 柱与柱、梁与柱、支撑

22、与柱之间结点均为刚结； = 6 * GB2 水箱作为重力荷载施加顶部，偏安全地忽略地水箱作为TLD的减震作用。 在以上假定的基础上，采用SATWEY建立计算模型如图4.1，其中梁柱选用Frame单元进行模拟；拉条也采用Frame单元进行分析，但在两端释放弯矩，且抗压极限值设为0，以模拟其只能受拉不能受压。图4.2及图4.3分别为计算模型单元编号及节点编号。4.2 静载作用下结构分析 4.2.1 铁块布置 为达到最大的等效负载质量，铁块布置方案如图4.4所示。铁块总质量为29.5kg，有效荷载面积为484cm2，满足赛题的要求。4.2.2 重力荷载 重力荷载主要包括模型自重、楼面铁块，其中自重在

23、SATWEY中自动考虑，楼面铁块、顶部水箱折算为各层横梁上的均布线荷载计算如下：第一层：第二层：第三层：第四层：下图3-4所示即为折算的梁上均布荷载。图4.4 折算的结构荷载分布图()4.2.3 结构内力 静载作用下模型内力图见图4.5。可以看出，底层柱轴力最大，顶层梁弯矩最大。 ( = 1 * alphabetic a)弯矩图() ( = 2 * alphabetic b)剪力图() ( = 3 * alphabetic c)轴力图()图4.5 静载作用下结构内力图4.3 冲击荷载作用下结构分析 4.3.1 模态分析 模态分析所得模型各阶振型如图4.6所示，各阶频率大小及振动形式如表4.2所

24、示。可以看出，结构前2阶振型均为平动，第3阶振型为整体扭转，第一扭转周期和平动周期的比值为0.76。4.3.2 反应谱分析 = 1 * GB2 反应谱 采用赛题所给的基准输入波，首先将其按等比例调整使其峰值加速度达到第一级加载时的峰值（0.409g），如图4-7所示；然后使用Bispec软件计算得到加速度反应谱，如图4.8所示，计算时阻尼比取为0.02。 = 2 * GB2 结构内力 采用3.1节中建立的计算模型，利用反应谱法计算得到的结构内力见附表2，内力图见图4.9。 ( = 1 * alphabetic a)弯矩图() ( = 2 * alphabetic b)剪力图() ( = 3 *

25、 alphabetic c)轴力图()图4.9 静载+冲击荷载作用下结构内力图可以看出： = 1 * GB2 自上而下柱子轴力逐渐增大，因此，为了充分发挥材料性能，将柱子做成变截面是合理的； = 2 * GB2 第3层沿地震作用方向的拉条承受较大的拉力，说明其能较为充分地发挥作用；而另外一方向的拉条拉力基本上为0，说明其发挥的作用很小； = 3 * GB2 柱端剪力变化规律基本与轴力相同，相对于柱端而言，梁端剪力很小； = 4 * GB2 底部二层梁柱弯矩较大，上部二层梁柱弯矩较小。 = 3 * GB2 结构位移响应 反应谱法计算所得模型各层层间位移及层间位移角如表4.3所示。可以看出第二层层间位移角最大，最大值约为1/23。由于未考虑模型顶部水箱的减震作用，且多次试验结果表明模型能承受比赛指定的模拟地震加载而不发生破坏，因此模型的层间位移角是可以接受的。表4.3 反应谱法计算所得层间位移（角）层号层高（mm）层间位移（mm）层间位移角第一层2805.520.019714第二层26010.910.04195第三层2400.570.002356第四层2202.150.0097734.3.3 结构动力时程分析 采用