第五届全国大学生结构设计竞赛计算书概要

“龙麟杯”第十一届南京工业大学结构设计竞赛暨第五届全国大学生结构设计

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书

参赛队伍:菁竹之光

作品名称:竹光永恒

目录

一.概述--------------------1

二.结构选型与建模---------------1

三.结构设计方案说明.............2

四.结构几何与材料属性------------5

五.结构在静荷载和地震荷载作用下的计算-----5

(1恒载作用下内力和位移计算分析.......6

(2恒载+地震作用下内力和位移计算分析——9

一概述

此次竞赛模型规定为至少四层房屋结构模型,并且在模型顶部设有水箱。模型

要求总高度为10。±。.5cm,且至少具有四层结构，且每层净高不小于22cm。模型底面

尺寸不大于22cmx22cm正方形平面，每层规定有效承载面积的范围和总承载面积。

其目的在于满足竞赛模型要求的情况下，应用空间结构力学的知识，设计出材料用量

最少，同时能够满足足够的强度和刚度要求，并且能够抵抗模拟水平地震荷载的结构

模型。

二.结构选型与建模

考虑到结构需加载水平地震波,我们小组选择了框架结构。因为框架结构空间

分隔灵活,自重轻，有利于抗震，节省材料。又框架结构侧向刚度较小，属柔性结构，在

水平加速度的作用下，能够产生较大位移而不发生结构性的破坏，造成梁柱断裂或倒

塌等后果。

结构模型效果图

根据竞赛要求，加载方向通过抽签决定，所以模型外形采用了中心对称的方式，楼

板均为正方形。为了使重心尽量偏低，设计时在底层加载较多的铁块,并且顶层面积

适当缩小。

结构立面图

三.结构设计方案说明

楼板设计说明:出于中心对称的设计，楼板采用了正方形的几何图形，每层楼板四

周分别设置5mmxlOmm的梁，嵌入方形柱内部。因为铁块均匀分布,楼层中央将为

压力重心，楼板下层受拉最大，故在楼层中间设置X型的梁，承载铁块分布的重量.并

且铁块尽量沿四周分布。考虑到地震荷载随楼层升高将会有扩大作用，故低层放置

的铁块较高层多。

各楼层面积铁块数量

楼层号楼层面积cm2小铁块数量大铁块数量总静荷载N

122X22-1

222X221477.2

322X220470.6

420X204026.5

5（楼顶）18X18水箱高度：10cm23.5

总计2176总有效承载面积711cm2197.8

各楼层铁块分布详图:

第二层铁块分布

第三层铁块分布

第四层铁块分布

柱设计说明:由于上层加载铁块较少，经过比较各种方案后,我们决定采用变截面

空心柱。在查阅资料后，我们发现处于地震频发地区的日本.其建筑多采用空心矩形

管柱，因为空心矩形管柱具有截面的回转半径大,对抗扭性能好，平面外刚度好,抵抗水

平地震荷载有较好的效果。底层至顶层各层主柱的截面如下图所示：

底层柱横截面图二层图截面图

三层柱截面图四层柱截面图

四.结构几何与材料属性

用于制作结构构件的为以下三种竹材：

竹材规格款式

1250x430x0.50mm本色侧压双层复压竹皮

1250x430x0.35mm本色侧压双层复压竹皮

1250x430x0.20mm本色侧压单层复压竹皮竹材力学性能参考值:弹性模量

1.0xl04MPa,抗拉强度60MPao

502胶水:用于模型结构构件之间的连接及水箱与模型的固定。

热熔胶:用干铁块与模型的固定C

模型底板:底板厚度约8mm，长与宽分别为33cm和33cm。底板上除预设孔洞外,

不得另行钻孔。

五.结构在静荷载和地震荷载作用下的计算

模型采用有限元软件MIDAS/GEN进行建模，模型如下图所示:

图MIDAS计算模型

节点处理:所有节点连接均按照刚接进行。

楼层荷载处理:忽略楼板的蒙皮效应,将铁块荷载按照等效线荷载均匀分布在楼

层四周横梁上。

地震荷载:什加八角记录NS方向第10s-42s区间作为基准波,如下图所示:

计算结果:

(I恒载作用下内力和位移计算分析:

恒载作用下结构构件内力图如下图所示:

各杆件剪力图

各杆件弯矩图

各杆件轴力图恒载作用下的结构构件应力分布如下图所示:

OS

OQ7

OQ5

OXM

0Q2

04)0

系数■

X5027E*002

STiDL

MAXJ30

MINt1

X他MOO&2

6位：mm

5fl:07/05/2011

双承•方包

Z

、X

最大应力出现在一、二层横梁端部，最大应力为4.05Mpa,低于材料的强度，不会

出现破坏。

恒载作用下的结构变形与位移如下图所示:

06

0X)7

0Q5

0Q4

0X)2

0M

系敦■

Z5027E*002

ST>DL

MAXJX

MINt1

文他MODQ2