结构模型设计书

结构创新课程设计设计题目高层建筑结构模型设计作品名称鼎立学生姓名张++ 王++ 端++ 江+ 谢++ 学号 201321··· 201321··· 201321···201321··· 201321···专业班级土木工程13-4班指导教师王辉、赵春风等老师2015 年 07 月 20 日目录一、设计说明书....................................... - 3 -1.设计背景........................................ - 3 -2.设计构思........................................ - 3 -2.1.结构选型...................................... - 3 -2.2.构件制作...................................... - 4 -2.3.连接方式...................................... - 4 -二、方案图........................................... - 5 -1.结构整体布置图.................................. - 5 -2.主要构件详图.................................... - 5 -3.方案效果图...................................... - 6 - 三．计算书........................................... - 7 -1.模型方案及制作.................................. - 7 -1.1.模型方案介绍............................... - 7 -1.2.模型加工图................................. - 8 -2.计算模型........................................ - 8 -3.荷载分析........................................ - 9 -4.承载能力分析.................................... - 9 -4.1.加载分析................................... - 9 -4.2.位移分析.................................. - 10 -4.3.承载能力估算.............................. - 10 -5.结论：......................................... - 10 -一、设计说明书1.设计背景随着我国经济的巨大发展和城市化进程的跃进，城市人口激增，人地矛盾愈加突出。

于是当今城市建筑倾向于向高层发展，从而提高空间利用率。

随着精神文明建设的加快,高层建筑除了要满足建筑使用功能要求,越来越重视建筑个性化的体现,使高层建筑的平面、立面均极其特殊。

尤其近几年,各种新的复杂体型及复杂结构体系大量出现,如体型复杂的连体结构,楼板开大洞形成的长短柱,楼板与外框结构仅通过若干节点连接,悬挑、悬挂,大跨度连体的滑动连接等,这些复杂体型的高层建筑许多超出了现行设计规范的要求,以往的工程经验和震害资料都无法借鉴,需要进行更深入的研究。

国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主,而我国以钢—混凝土的混合结构应用居多。

由于建筑物高度和质量、风险之间存在必然矛盾，这就为土木工程设计师提出了一些列要求，如何设计最轻、最安全的建筑是高层建筑面对的首要问题本次结构创新课程设计要求以250克巴西白卡纸和乳胶为原料，设计出承受竖向、侧向静荷载的纸质高层建筑结构模型，在要求范围内结构形式不限。

2.设计构思2.1.结构选型结合设计题目要求以及加载方式、结构要求用材。

本小组成员讨论之后一致同意模型的主体结构由三根柱子组成，从而减少材料用量，而且三根主要支柱在水平面上所组成的三角形结构充分利用了三角形的几何不变性，增加了模型稳定性。

由于考虑到侧向加载时对加载位置并无要求，三根主要支柱所组成的三角形为腰长大于底边长的等腰三角形，从而使加载位置位于等腰三角形定点出。

考虑到“模型结构的支承点（上部结构部分）应分布在尺寸为 200mm ×200mm 的范围内。

基础的平面尺寸不得超过 250mm × 250mm ”的要求，本组决定采用上部尺寸小于下部尺寸的金字塔式结构模型，从而既可以减少用材，亦提高了结构在侧向载荷作用下承受弯矩的能力。

对于各承受荷载的柱，梁，本组采用横截面为直角三角形的空芯构件，直角三角形选型易于制作，空芯三角截面抗折能力较强。

2.2.构件制作构件制作过程中，我们主要先制作上下部层面和各类梁柱两大类细化构件。

上下部层面分别由两张白卡纸按照预想设计裁减而成，由于我们结构选型的创新性、特殊性，在上下层面的制作过程中，我们进行了一系列几何计算从而得到合适的面积，裁剪之前，主要先根据计算结果，借助于三角板、量角器、圆规，用铅笔在一定幅度白卡纸上画出图形，再借助于直尺，用美工刀裁出所要构件。

另外，为了提高柱与层面之间连接的稳固性，我们同时也制作了六个小的三角形构件，用以强化柱与上下层面之间的粘结，同时也增强了上下面强度、节省用料。

三根主要支柱用料量相同、制作过程完全相同。

本组首先从文具店购得横截面尺寸为12—12—17直角三角形的竖直木柱若干，由于白卡纸不易加工成柱形。

故借用木柱充当杆芯，裹实致密为三圈半白卡纸。

横杆和斜杆分别共计9支，横截面皆以长方体木条为杆芯裹实致密。

各构件尺寸见【主要构件详图】。

在各杆件具体制作过程中，充分利用白卡纸顺逆纹，顺纹强度较大。

卷杆时先将纸张起始处折起宽度为5mm左右的纸边，用硬卡片沿纸边将其与卷杆工具紧密相贴，确定纸张与工具贴紧并无相对滑动后开始卷杆（此时先不涂胶，卷纸15-20下使纸张产生纸痕以方便后期压密）。

涂抹过程中用胶要适量，涂抹要均匀全面，防止出现局部含胶量不均匀。

注意减少对卡纸的扰动，以防缺陷增加强度降低。

2.3.连接方式就本次结构设计竞赛而言，其加载上限为竖向12kg、横向3千克，故模型结构设计时采用的就是减少多余约束的个数，提高节点连接的强度。

我们通过实验模拟得出构件节点连接时的方法大致分为以下三类：一是通过连接件连接，这种连接方式适应杆件截面形状的范围广且强度基本都能满足受力要求，缺点是影响结构整体的美观，质量较重；二是构件自身经过一定处理后形成节点，这种连接方式满足美观要求的同时，质量（多余质量为涂胶和固定纸带质量）最轻，但需要依照杆件截面的不同而做出不同的设计，对制作人员的创造力有一定要求，而且由于构件为了适应连接强度得不到最大发挥，三是根据杆件截面的形状设计出相关的嵌入连接方案并通过卡纸包裹注胶提高节点强度，如图1所示。

这种连接方式较美观，但杆件连续弯折部分较大的接触应力要求杆件壁厚不能太小，否则在接触部位会发生接触变形，这就在某种程度上增加了结构整体的质量。

本次结构模型设计竞赛主要受力杆件截面形状为直角三角形和矩形，连接方式采用第三类：包围式嵌入注胶。

图1 包围式嵌入注胶二、方案图1.结构整体布置图结构统高610mm，各层三角形间距从下至上分别为270mm，205mm，115mm。

底板尺寸250×250mm，顶板尺寸190mm。

2.主要构件详图序号用途尺寸（单位mm）图示1 立柱三边13、13、172 横梁9×53 斜梁10×2 3.方案效果图三．计算书1.模型方案及制作1.1.模型方案介绍模型由三根完全相同的三角形截面柱作为骨架，三柱呈三角形布局，自下而上整体截面收缩，在降低材料用量、减轻重量的同时，利用三角形的稳定性来保证结构稳定，并分担一部分水平荷载，减少侧移。

柱间以矩形截面横梁交错联接，提供结构的强度，上下楼层间以矩形截面斜梁相连，斜梁可承担拉力及压力，维持结构稳定。

模型底面设计为筏板基础，减少不均匀沉降和侧移量。

为维护柱骨架的整体强度，结点的处理避开了凿入或镶嵌，采用内层贴片联结，外层整体包被的方式。

柱与筏板基础的联结处增加贴片处理，防止在水平加载作用下柱与基底脱开。

为保障单个构件的强度，在制作构件时采用白卡纸双层包裹的方式。

在第一层和第二层的横梁上联接T 字形附加梁，用以承担分层竖向荷载。

模型顶层贴面用以承担竖向加载钢板。

在承担水平荷载的柱顶以大贴片加固结点，防止结构破坏或失稳。

1.2. 模型加工图 截面规格 截面尺寸等腰三角形12、12、17矩形10×6矩形8×3表1 构件加工表（单位：mm ）2. 计算模型本次结构模型设计中采用白卡纸，构件之间的连接采用白乳胶粘结。

白卡纸为各向异性材料，力学性能如表2：表2 纸的弹性模量（单位：MPa ）纸的层数弹性模量 平均值 11138 1459 21149 31593 419561.安放模型，并在规定时间内自行用细沙填埋、固定模型。

模型固定完成后在各层放置重量1kg的柱体检验块，检验通过且不发生破坏的模型可进行加载试验。

2.竖向静荷载试验。

在各楼面承受1kg荷载的前提下，各队伍队员自行在模型顶部施加竖向荷载（加载钢板），分2级加载，每级加载5kg，共计10kg，以检测模型承受竖向荷载的能力。

3.第一次侧向静荷载试验。

在维持10kg竖向荷载和各个楼面荷载的前提下进行侧向静荷载试验，侧向静荷载由绳索在侧向悬挂砝码的方式施加，并经转向滑轮通过挂钩与绑扎在模型上的尼龙绳套连接。

第一次施加的重量应为3kg，若加载成功，则模型加载成功。

4.额外侧向静荷载试验。

在维持10kg竖向荷载和3kg侧向静荷载试验基础上进行额外侧向静荷载，规定最大可额外加载重量为5kg，加载次数不得多于2次。

各组可自行选择是否进行额外侧向加载及每次加载的重量，但总加载量不得超过5kg，进行第二、第三次的侧向加载。

4.承载能力分析4.1.加载分析结构模型完成后，对其进行试加载：1）静载试验：固定模型后，在各楼层放置俩瓶550ml矿泉水（约1kg），模型结构不发生破坏；2）竖向静荷载试验：在静载试验的基础上，分俩次在模型顶部放置9瓶550ml 矿泉水，共计18瓶（约10kg），模型结构不发生破坏；3）第一次侧向静荷载试验：在静载试验及竖向静荷载试验基础上，在节点处绑扎尼龙绳，利用矿泉水瓶身（圆柱体）作为滑轮，在绳索一端绑扎6瓶550ml 矿泉水（约3kg），模型结构不发生破坏；4）额外侧向静荷载试验。