安徽建筑工业学院计算书

D= c × i z × ( 12
层）
层
i i
z
c
(底层）

c
=
(0.5 k )
(2 k )
h
2
)
根 数
（N/㎜）
一 层 二 层 三 层 四 层
边框架柱
0.447
0.387
0.157
4
边框架柱
1426.29 1313.68 2 3688.09
=0.371
0.156
0.125
4
边框架柱
第五届全国大学生结构设计竞赛·计算书
1.设计说明
1.1 设计理念 2010 年的世博会， 给全世界留下了深刻的印象， 而 “竹元素” 更是成为了低碳环保的 “明 星” ：印度馆建造了世界上最大的竹子穹顶，位于欧洲片区的“德中同行之家”展馆 8 米高 的两层建筑几乎完全用竹杆和竹子板材建造， 秘鲁馆的外墙体用可再生利用的竹子横竖编织 成一个个方框， 西班牙马德里的城市案例向参观者呈现了为低收入者特别设计的 “竹屋” „„ 同样是“竹” ，不同的城市演绎出风情万种的建筑表情。同样是“竹” ，不同的展示诉说着内 涵各异的文化故事。 本届大赛组委会提供的材料是竹皮，让人很容易的联想到绿色，环保。我们的模型就是 从这一点出发，本着简单实用而不失建筑之美却能最节约材料的原则来进行设计。 “存在即 是合理” ，传统的结构体系必然有其优越之处，但我们不能因此停止创新的脚步，技术上的 探索具有更深远的意义。 1.2 结构选型 在所有的结构形式中， 金字塔型建筑是最轻最稳定的一种结构形式之一， 本设计从金字 塔型建筑出发， 充分利用了三角形的稳定性。 考虑到比赛中结构先后受到竖向荷载和侧向荷 载，其中以侧向荷载为主要控制荷载，模型结构选择了框架和柱间支撑构成框架-支撑体系， 由框架结构主要承受竖向荷载，支撑体系来承受侧向荷载，保证结构有足够的侧向刚度，以 控制其侧向位移在规定限制内。 用于承受竖向荷载的框架结构中， 以四根柱子为主要竖向承重构件， 柱子的截面形式采 用空心柱，截面尺寸为：内径：4mm×4mm，外径：6mm×6mm.底层柱间轴心距为 205mm，二 层柱间距为 190 mm，三层柱间距为 175 mm，四层柱间距为 160 mm，顶层柱间距为 145 mm. 层高从下至上一次为：295 mm,235 mm ,235 mm, 235 mm 主梁的截面尺寸为：2mm×5mm. 第 三层主梁的截面尺寸为：2.2mm×5mm. 用于承受侧向荷载的支撑体系中，支撑截面为圆形，底层斜支撑直径为 6 mm，二、三、 四层为 5mm。 底层支撑长度为 205 mm， 二层支撑长度为 297.8 mm， 三层支撑长度为 302.5 mm， 四层支撑长度为 355.6 mm。一二四层楼板是采用一层竹片，厚 0.2 mm，三层楼板采用一层 竹片，厚 0.35mm。
I
0
，
I
0
为框架梁按矩形截面计算的截面惯性矩。
12
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横梁、柱线刚度表 截面尺寸 层 杆件 B(㎜) 底 层 一 层 二 层 三 层 四 层 地梁 边 框 架梁 边 框 架梁 边 框 架梁 边 框 架梁 2 H(㎜) 5 Ec(N/ mm²)
I
0
（ mm ）
4
I 4 (mm )
1718.75 1426.29 2 3688.09
=0.426
0.176
0.141
4
边框架柱
1718.75 1721.38 2 3688.09
=0.466
0.189
0.151
4
注：
i
c
为梁的线刚度，
i
z
为柱的线刚度
一层： 二层： 三层： 四层：
D =4×0.157=0.628（N/㎜） D =4×0.125=0.5（N/㎜） D =4×0.141=0.564（N/㎜） D =4×0.151=0.604（N/㎜）
S
顶部
＝124×124＝15376 mm²
10
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则：
q
面
＝40N÷
S
顶部
＝0.0026
N/mm²
由于每层板面为方形，故各边长相等。
q
线
＝
q
面
×顶层板宽＝0.46 N/㎜
等效在每根柱子上所承受的集中力
G
4
＝10N
S
则
三层
＝161×161＝25921 mm² ＝126N÷
4
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2.4 模型效果图
5
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3.模型加工图及材料表
根据结构设计方案，考虑到构件加工要求，列出各构件详图及下料统计表。构件布置详图如 图：
本设计方案采用的构件截面形式由多层竹片粘贴而成， 各构件截面采用等截面形式， 见表一: 等截面构件加工图
9
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4.2 模型计算荷载分析及截面性质分析 4.2.1 已知荷载：模型顶部 4kg 水箱（40N) ，四层铁块(4 大+8 小）12.6kg(126N) ，三层 铁块（3 大+5 小）8.775kg（87.75N） ，二层铁块（3 大+4 小）8.1kg（81N) 。 4.2.2 模型简化时的荷载等效计算 4.2.2.1 顶部 40N 荷载等效计算： 计算思路：由计算模型可知作用在模型顶部的只能是集中力或者是线均布荷载，于是所 有计算就是将顶部的 4kg 水箱荷载集中力和线均布荷载。 而作用在柱和横梁上的是面均布荷载，直接将其等效为作用在如图方形上的面均布荷载， 然后乘以宽度转化为线均布荷载。 计算过程： 计算顶面有效承载面积
L (㎜)
i ＝ EcI/L (N· ㎜) 1217.5 6 1313.6 8 1426.2 9 1718.7 5 1721.3 8
相对刚 度
10000
20.8
24.96
205
0.927
2
5
10000
20.8
24.96
190
1
2
5
10000
20.8
24.96
175
1.1
2.2
5
10000
22.92
27.50
4.1 计算方法和计算模型假设
4.2 模型计算荷载分析及截面性质分析 …………………………… 10 4.3 材料力学性能 4.4 结构内力分析计算 ……………………………………………… 11 ………………………………………… 16
4.5 结构强度、刚度验算„„„„„„„„„„„„„21 4.6 结构稳定性验算 ……………………………………… 22
2. 方案图
2.1 结构整体布置图 2.2 节点详图
2.3 铁块分布详图及水箱注水量………………………………………… 3 2.4 模型效果图 ………………………………………… 5
…………………………………………… 6
3. 模型加工图及材料表 4. 计算书
………………………………………… 9 …………………………………… 9
1
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2.方案图
2.1 结构整体布置图
2
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2.2 节点详图
2.3 铁块分布详图及水箱注水量：
3
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铁块每层按如图所示布置：第二层为 3 个大铁块和 4 个小铁块，第三层为 3 个大铁块和 5 个小铁块，第四层为 4 个大铁块和 8 个小铁块；水箱注水量为 4L。
4
梁
＝10000×
10 ÷10
6
6
×10＝100000
mm
抗弯刚度 EI 先求 I：由于梁，柱截面都是规则截面，则由图即可算得：
I
柱
bh ＝
12
3
1
bh －
12
3 2
＝ 6 × 6 × 6 × 6/12 － 4 × 4 × 4 × 4/12 ＝ 86.67
mm I
4
梁
＝ bh
3
12
=2.2
×5×5×5/12=22.92 ＝ bh
S
q
一层
＝191×191＝36481 mm² ＝81N÷
则：
q
面
S
一层
＝0.0022 N/mm²
线
＝
q
面
×一层板宽＝0.42 N/㎜
等效在每根柱子上所承受的集中力
G ＝20.25N
1
4.3 材料力学性能 名称类型 0.2mm 竹皮 拉应力（MPa） 60 压应力（MPa） 26.3 弹性模量（MPa） 1.0×10
6
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材料表
4 计算书
4.1 计算方法和计算模型假设 4.1.1 计算方法:主要采用将模型简化，近似等效成平面钢架体系进行计算。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"软件进行大部分计算。 4.1.2 计算模型假设 0 1. 由于根据本模型加载方向得知主要承力方向为外法线 180 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. 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. 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。 综上所述，则可以得到如图所示的基本计算模型。