地震房屋设计计算书

北京理工大学第四届结构设计大赛计算书抗震房屋结构模型设计方案工程背景近年，世界各地地震频发给人民带来了深痛的灾难和巨大的紧急损失，地震房屋的设计已被提上日程。地震作为最严重的自然灾害之一，一直以来是土木工程学科的重点研究对象。我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一，曾经发生过多起破坏性地震。因此研究木框架结构的消能减震技术具有非常重要的意义。结构设计竞赛充分发挥自己的想象力和创造力，以工程结构知识理论为指导，提高对自己所学专业知识的综合运用能力，培养专业兴趣，锻炼实际动手能力，建立团队合作意识，培养科学的思维方法，严谨的工作态度，并且很好的将学术性与趣味性融合于一体。通过对知识综合应用能力、创新意识和团队协作精神的考验，引导大学生理论联系实践，健全大学教育面向未来的教学体系，培养新一代工程师的综合素质。设计说明书根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度方面出发，采用大赛组委会提供的桐木作为结构原材料，乳胶作为粘结剂，根据该房屋的使用功能及建筑设计的要求，进行了建筑平面、立面及结构设计，精心设计制作了该二层抗震房屋结构模型。采用框架结构形式。结构以方形柱与基础连接处为主受力，采用局部加强措施。结构主要解决材料抗弯性，抗拉性较差的问题。通过对支撑点的选择以及节点处的支撑，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大。1、结构体系主体为简支梁结构体系：屋面板和方型梁的组合，作为简支梁的压弯系统，承担结构的整体受弯、受压和抗剪；小截面狭长条承担下部拉力；上述两者共同工作，承受压力。1．材料力学性能估计：桐木为模型材料，木材质轻、韧，桐木（顺纹方向）的抗压强度远远大于其（横纹方向）的抗弯强度。其力学性能特点是受压性能良好，抗剪、抗弯能力差。破坏多为压杆失稳状态的受力破坏。可承受少许弯矩。白乳胶的粘接性能：强度认为比母材强度高。2、构件力学性能：我们先对给定的实验报告，分析数据，对构件载面大小，受压时的长细比限制等做了初步估计，因为材料本身的因素，如纹理、加工工艺、材料的缺陷等，这里我们只能做出最为保守的估算：（1）拉伸实验：对于2X2的拉杆，弹性模量E=3.0GPa，极限应力。对于脆性材料一般安全系数为2~3.5，这里取安全因数n=3，最大许用应力。我们制作的模型对拉伸要求较低，拉杆对设想中的几种构件均能满足受力需要。（2）压缩实验：对于5X6的压缩实验，，对于3X5的。（3）压杆实验：n=3，。那么，对于桐木，近似材料质地均匀连续后，我们估算得：E=3GPa，2、设计构想以柔克刚的思想，是中华民族的传统智慧。与砖石结构建筑的不同，中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时，通过种各种巧妙的措施，以最小的代价，将强大的自然破坏力消弥至最小程度。对于我们结构设计有许多启发。如图1的结构形式，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量，减小结构的地震响应。在设计中，力求降低建筑的重心，并使整体结构重心向内倾斜，增强结构的稳定性；柱脚分别与载物台以及其他的结构构件连接，使柱架层形成一个闭合的构架系统，制止柱头、柱脚的移动；框架系统通过由梁、檩、椽等诸多构件强化联系，增强结构的整体性；柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦，进而有效地产生隔震作用。对于节点连接处，我们在胶结的基础上，我们考虑尽量采用如图所示的榫卯连接，提高其抗扭抗弯能力。在支座处，根据抗震的需要，各节点均使用销加固，以提高节点处的强度和稳定性。加载处，通过对屋底板支撑点位置的选择使载荷均匀分布在梁上，以提高结构的抗弯性。3、制作处理研究资料我们发现，木框架承重房屋的震害主要表现为以下几种方式：(1)构件强度不足：由于构件的断面过小或者立柱对接削弱了柱子截面强度，导致木框架承重房屋构件强度不足，地震作用时容易由于立柱折断而造成房屋屋盖以上倾塌或者整体倒塌。(2)节点连接弱：由于木框架房屋梁柱之间多采用榫卯连接，地震时房屋上下颠簸，左右前后摇晃，榫卯节点不仅承受水平力，还要承受拉和扭的作用，因此节点处很容易产生拉榫、折榫现象。另外，榫卯连接削弱了梁柱连接截面的强度，使得节点强度不足，产生应力集中而破坏。(3)结构体系不稳定：木框架房屋的榫卯结合节点根据加工质量的不同，其松紧程度有很大差异，对节点的强度和刚度影响很大。(4)载荷过重、过陡：大部分北方地区考虑积雪保温等问题而将木结构的屋顶建造的过重而且坡度很大。整个木框架柱细而粱粗，头重脚轻，地震反应大。因此，在制作过程中使模型整体向上微拱，使梁尽可能受压力而少受弯，有利于梁的稳定和减少挠度。且在结构制作完成后，在结构的表面刷上一层薄薄的乳胶，或用乳胶浸泡，这样既可以增加材料的抗弯性能，还可以使材料本身的一些缺陷、小裂纹等粘和起来，避免其成为应力集中点，或周期载荷的破坏起始点。对于梁的承重，应尽量采用空心结构；仿照角位移阻尼器的理论，在插入端加之以三脚架构型的阻尼结构，这是行之有效的结构振动控制方法。4、设计假定（1）桐木材质连续均匀；（2）梁与梁之间结点为刚结；房屋与加载台之间的连接视为固定端；（3）房屋本身质量不计；加载时，荷载以集中力和均布载荷的形式作用在指定的单元和节点上。（4）杆件计算时采用钢结构的计算模式；根据以上假定，通过结构力学求解器建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。三、方案图模型结构图承重面重物重物（3.2kg，尺寸76X100）承重杆总长度 四、计算书1、结构选型采用“X”字交叉式简支梁结构形式。结构以十字架中心处为主受力，采用局部加强措施。结构主要解决材料抗弯性，抗拉性较差的问题。通过对支撑点的选择以及节点处的支撑，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大。2、载荷分析根据本次比赛的加载规则，考虑最不利情况取荷载作用时最危险截面进分析。为周期性震动载荷下的最大位移处为最危险情况，另外加载时的不均匀性、制作过程中的等不利因素的影响，采取在制做时适当加强构件的措施，计算时不予考虑。3、计算简图与内力分析根据要求，模型二层、顶层各放置一个由组委会提供、质量为3.2公斤的重物，其底面尺寸为76mm乘100mm的矩形。然后施加地震载荷。对于实际加载3．1静载受力及位移情况分析受力图：轴力图：剪力图：弯矩图：位移图：我们可以发现，在静载荷情况下对于顶面的强度要求较高，这也是我们在设计是需要重点考虑的地方。3.2动载受力及位移情况：对于动载荷，我们通过计算，得到其由于周期震动引起的最大载荷为15.36N。我们只需要考虑在最大振幅情况下，材料是否失稳即可。多了周期震动载荷，弯矩图也一定有变化，以下各图皆是在振幅最大时的情况的受力及位移情况。横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算受力图：轴力图：由图可得结构承受的轴力是非常小的，可以在设计时不予考虑。剪力图：由图可得结构承受的剪力是非常小的，可以在设计时不予考虑。弯矩图：M位移图：3.3强度、刚度及稳定性校核对于承重和受压大的杆件均采用5X6的截面，通过图形结合公式求解，动载情况下的危险点：I由弯矩图可知：M故杆的最大应力为：σ对于承重面假定是均布载荷则由图得到有重物引起的均布载荷，承重杆的应力为：σ由于安全因数n=3，故σmax=1