结构设计大赛设计书

多层竹结构单向抗震模型方案设计与理论分析
作品名称竹韵
参赛学校
参赛队员
专业名称土木工程
指导教师
二○一一年九月
1.设计说明书
1.1寓意
漫步在那竹林摇曳的石板古街，品味一股亲切和安逸；小憩于清雅恬静的古朴茶馆，体会一种清心和悠闲——蓉城竹韵。

1.2结构造型
根据赛题的要求，模型外轮廓采用方棱柱体，柱网尺寸：下端220mm×220mm，上端220mm×220mm，塔高1000mm，高宽比1000/220≈4.5。

，模型共四层，每层250mm，叶片外表为流线型双曲面。

1.3结构选型
（1）主体。

在满足赛题规定的承载力和变形刚度要求条件下，为了设计最轻的结构，我们选用了框架结构形式，并试图做到较多的杆件满应力受荷，尽量减少赘余杆件。

在设计框架架的具体形式时，遵循对称均匀，受力明确，传力直接，方便制作的原则。

（2）细部连接。

在满足赛题规定的条件下，为了获得重量轻、承载力大的支撑构件，在分析了目前各系列震型的参数后，结合给定的地震加速度要求，采用一体式圈梁及网状次梁结构形式，并在每层（主）圈梁下设支撑构件，底层根部设置柱脚。

CAD细部图如下：
注：底板为整个结构的第一层
２.手算计算书
竹材容重暂按7.4×10－６Ｎ／ｍｍ３，竹材阻尼比 ＝0.01 ①自振周期T 及地震作用的计算：
根据结构柱体部分Ｓ的具体尺寸，确定出一系列刚度系数Ｋ值如下
第一层：Ｋ１＝185.875 第二层：Ｋ２＝147.2256
第三层：Ｋ３＝92.73 第四层：Ｋ４＝39.5752
进而计算出各层的柔度系数:
δ１＝１/Ｋ１=0.005380;δ２=１/Ｋ１＋１/Ｋ２=0.01217
δ３=１/Ｋ１+１/Ｋ２+１/Ｋ３=0.02296;δ４=１/Ｋ１+…１/Ｋ４=0.04822
= ×ω１２×１０－６
×555.684 用 代替 又可得到一组系数
按照上述方法经过３次反复迭代可得最终系数：
由1＝ω１２×１０－６×424.0645；Ｔ=２π /ω１ 进而求出一个手算近似解：Ｔ＝0.129ｓ
M ４
M ３
M ２
M １
1
1 1 1
1
0.3032 0.6182 0.8415 1 1 1 1 1 0.2571 0.5560 0.8415 1 0.2499 0.5431 0.8333 1
②楼层重力荷载标准值：
顶层：G
4
=(2.649+0.15)×9.8=27.43N
3层：G
3
=（9.9+0.15+0.26）×９.8=101.038N
2层：G
2
＝（12.15+0.37+0.15）×9.8=124.166N
1层：G
1
=（4.95+0.44+0.15）×9.8=54.292N
G=ΣG
i
=27.43+101.038+124.166+54.292=306.926N
③总地震作用标准值 T
g =0.3s α
max
=2.5
0.1<T
1<T
g
∴d=d
max
=2.5 G
eq
=0.85×G
E
=0.85×306.926=260.89N
底部总地震作用标准值为：F
EK =dG
eq
=2.5×260.89N=652.22N
④各楼层地震作用标准值：T
1
=0.141s<1.4×0.3=0.42s 不考虑顶部附加水平地
震作用，δ
n =0, F
i
=F
EK
(1-δ
n
)
F
4
=
×652.22=100.022N
F
3
=×652.22=276.321N
F
2
=×652.22=226.382N
F
1
=×652.22=49.493N 各层水平地震作用计算结果
100.022
各楼层地震作用标准值计算简图 各楼层剪力示意图
αv,max =0.65αmax =0.65×2.5=1.625 G eq =0.75G E =0.75×306.9262=230.1947N F EVK =αv,max G eq =1.625×230.1947=374.066N
i 层竖向地震作用：Ｆvi =F EVK ，第i 层竖向总轴力：Ｎvi =
F v4=
×374.066=57.37N
F v3=×374.066＝158.48N
F v2=×374.066=129.84N
F v1=×374.066=28.39N
结构模拟
结构模型图
静力荷载分配图（N/m2 ）
地震作用下支座反力（N）
地震作用下位移图（mm）
静力荷载下柱轴力图（N）
地震作用下柱轴力图（N）
地震作用下剪力图（N）
地震荷载下梁应力图（N/m2 ）
地震作用下梁单元内力图（N*mm）地震加速度动态曲线.avi
地震速度动态曲线.avi
地震位移动态曲线.avi
Δu<—即Δu<(4,20),故层间位移满足要求
⑥应力验算
由木结构规范得：
又各柱轴力N=F/4=1/4*306.92=76.73N;
A=πD2/4=9.62×10-4m2
M=ΣF
i H
i
/4=(99.27*1+267.33*0.75+218.12*0.5+45.22*0.25)/4=105.03N*m；
W=ΠD3/32=π*0.0353/32=4.2×10-6m3；
由木结构规范表4.2.1-4按恒荷载验算时取强度设计值调整系数为0.8；
f
m = f
c
=0.8[]σ=0.8*60=48MPa；
则代入4.3.2-3得：76.73/9.62×10-4+105.03/4.2×10-6=25.09MPa<0.8
[]σ=48MPa；满足要求。

竹结构质量统计表
结束语
经过了近一个月的准备，从构思到设计再到动手建造，让我们在思考中收获成长；在实践中体味快乐。

当然，在这之中也历经了重重考验，但计算的繁琐和施工的难度并没有动摇我们参赛的决心。

一次次改良，一次次完善激发着我们的热情。

每当看到模型质量减轻、承载和抗震能力提高的时候，我们欣慰不已，信心满满。

此次比赛学院领导老师十分重视，给予了大力的支持，我们深感荣幸。

参考文献
1、王社良抗震结构设计，武汉理工大学出版社；
2、李章政，熊峰建筑结构设计原理，化学工业出版社；
3、裴星洙，张立高层建筑结构的设计与计算，中国水利水电出版社
4、木结构设计规范 GB50005-2003
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