结构模型设计大赛设计书

第二届三峡大学结构模型设计竞赛设计方案作品名称：玉宇亭参赛队员：王飞宇、梁晓婷、胡玉1. 设计构思1.1 竞赛赛题分析1•本次竞赛要求制作带屋顶水箱的竹质材料多层房屋结构，模型包括小振动台系统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个部分。

2. 模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块实现。

水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型通过螺栓和竹质底板固定于振动台上。

模型试验仅在单一水平向施加地震作用。

试验时模型放置方向由参赛者自行确定。

3. 本次竞赛采用振动台单方向加载，通过输入实测地震动数据模拟实际地震作用。

4模型总高度应为75cm，允许误差为士10mm。

模型底面尺寸不得超过22cm X22cm的正方形平面，即整个模型需放置于该指定平面范围内，模型必须3个楼层，底板视为模型第一层楼板。

每个楼层层高25 cm ,允许误差为士5mm。

楼层各层空间应满足使用功能要求。

在模型内部，楼层之间不能设置任何横向及空间斜向构件。

5.材料：竹材，用于制作结构构件。

有如下二种规格:竹材力学性能参考值：弹性模量1.0 xiO4MPa，抗拉强度60MPa。

热熔胶、模型底板、砂纸等。

1.2模型设计思路我们以概念设计辅助计算设计为基础，从设计开始，把握好能量输入、建筑体型，结构体系、刚度分布、构件延性等主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，可以设计出具有良好抗震性能和足够可靠度的建筑。

1.模型主要承受竖直荷载和较大的水平动载，竖直荷载要求模型有较强的抗压性能，水平动载对结构的刚度要求较高，同时要求结构有较强的抗剪能力。

按设计要求，在楼面承受荷载情况下外加较大的水平动力荷载，因此，我们选择了整体构造截面为矩形的框架结构，并且利用箱型梁与正方形。

柱子的刚性连接形成矩形框架，使结构具有较好的整体性，以便承受较大的动力荷载。

结构整一层及三层为完全对称，二层为交错设计，质量刚度沿截面形式均匀分布，上部结构与下部结构的重心位于同一竖直轴上，这样上部结构的自重不会在下部结构截面中引起过大的附加弯矩。

避免结构模型偏心受扭，做到了受力方式合理，传力路径明确，整体性、抗震性较好。

3.在加载过程中，荷载等效为均布荷载作用于柱和梁上。

通过拼接，该模型的柱和梁形成了一个统一的整体。

梁在均布荷载作用下，其弯矩使得纵梁下部受拉，上部受压。

梁与梁之间设有斜杆做支撑，使得支撑部分连为一个整体，并且加强梁对荷载的抵抗能力。

4. 利用下刚上柔的设计原理。

第一层主要承受较大竖向荷载，故正面利用斜向杆，侧面利用竖向杆进行支撑，既抗竖向荷载又抗水平动荷载。

第二层考虑到剪力墙结构要产生较大形变，且承受上面两层的竖向荷载，同时考虑到模型质量问题，第二层正面用拉带进行加固，两个侧面进行交错刚体加固。

第三层上部角全部采用刚性杆件加固，既抗水平动荷载也抗竖直荷载。

5.充分利用竹质材料的特性，每一层铁块加载的层面为从0.2mm 的竹质纸上撕下的膜，既足够强韧又足够轻。

6. 在模型每个节点处都用厚度为0.20mm的材料做成的腰为30mm的薄片进行粘贴，来保证模型在震动过程中不会节点先坏。

7. 所有的梁均采用矩形立放，杆和梁均做成空心结构。

梁的抗弯强度不足时，增加截面高度比增加截面宽度更有效。

对具有相同截面面积的实心及空心截面进行理论分析发现，不论截面的几何形状如何，空心截面的抗弯截面模量ZW总比实心截面的大。

8. 在设计合理的前提下，我们必须保证我们的做工精细、合理，这样才能使设计的模型最大程度的展现其作用2. 作品介绍2.1尺寸参考数介绍主要承重结构：柱，横梁，次梁，撑杆，拉带尺寸与数量表。

2.2结构三视图实物图俯视图侧视图正视图2.3设计作品特色充分考虑抗震概念设计要求形体规则，结构简单，结构简单性保证地震力有明确而直接的传力路径结构体系合理，有效避免结构或构件局部破坏受力明确，地震作用传递途径合理节点加强处理，提高薄弱部位抗震能力• >制作方便，符合竞赛规则在遵守规则的前提下，我们综合考虑各个因素设计的玉宇亭有以下六个特点：1. 从结构外形看，结构前后对称，左右空间对称，质量刚度沿截面形式均匀分布，避免结构模型偏心受扭，结构简单，传力路径明确，稳定性、整体性、抗震性好；2. 根据地震剪力倒三角分布规律，结构受力特点等，我们从增强刚度和采取构造措施对底柱采用支撑做了加强处理；3. 考虑材料有较高的抗拉性能，结合材料的力学性能，主梁设计为箱型梁，增强梁的抗弯性和承载能力，楼板用从厚度为0.25mm的竹制纸上撕下的薄片粘贴而成；4. 根据房屋加载后每层对抗压性与抗震性的需求不同，设计符合每层受力需求的抗压结构与抗剪结构，我们采用了三种不同的斜拉杆与拉带形结合成几何不变体，充分发挥了材料的抗拉性；5. 在整体结构与地板的粘结处部分填实，柱底箱部分采用立体的三角形粘结地板与柱子，从而保证粘结端成为刚性节点。

6. 在结构的第二层的左右面米用了空间对称的对角式小型斜拉杆，既增强了抗压性能、节省了材料，又未改变整体的几何中心位置，并且在第三层的前后面的柱与主梁间附加小型斜拉杆，使该部分构件最大拉应力和最大压力同时达到材料的许用应力。

2.3形体设计说明三层正四棱柱“竹质空间”房屋结构模型采用三层正四棱柱“竹质空间”房屋结构模型。

在加载过程中，荷载等效为均布荷载作用于柱和梁上。

通过拼接，该模型的柱和梁形成了一个统一的整体。

梁在均布荷载作用下，其弯矩使得纵梁下部受拉，上部受压。

梁与梁之间设有斜杆做支撑、拉带增强抗剪能力，使得支撑部分与抗剪连为一个整体，并且加强梁对荷载的抵抗能力。

合理安排梁的间距与横截面尺寸，使得梁能在结构不破坏、满足位移要求的条件下尽可能多的承受荷载。

结构外形结构平面为边长为196mm的正方形，柱高745mm，整体为216*216*745mm的正四棱柱，梁采用箱型主梁，楼板由两层从材料上撕下薄纸粘贴而成。

材料截面选择我们采用正方形柱承受铁块荷载和水平动载，箱型主梁连接正方形的柱子，正方形柱连接箱型主梁，主梁与楼板相连接。

主题承力矩形柱由截面面积10mm*10mm空心构件，梁由厚度为0.35mm的竹制纸粘结成截面为6mm*4mm的空心杆，中间的斜拉杆是由厚度为0.25mm的竹制纸粘结成截面为3mm*3mm 的空心杆，楼板由2层从厚度为0.25mm的竹制纸上撕下来的薄纸粘粘而成。

节点设计在模型的每个节点都用楔形组合连接，在用胶水粘粘，最后再外用薄片粘结避免裂缝导致受力路径间断而使作用力不能连续传递导致节点先破坏，从而将节点模拟成为刚性节点形式，使各杆在此节点既不能相对移动，也不能相对转动。

3. 简单受力分析3.1、静力分析结构顶部加载盛4L水的水箱，根据受力特点及结构形式，将荷载简化为均布力，分别同时施加在结构的四根承重柱上。

根据荷载的分布和动荷载的加载，找出结构最大处位移和最大处应力，分析最大处节点强度，刚度和稳定性。

柱子的剪力图2、地震作用分析结构层高和层所受力代表值见下图，分析各层地震剪力的标准Fa+A Fn //////结构总水平地震作用标准为:F EK =「1G eq各层水平地震作用Fi和各层地震剪力标准值Vik分别用下式计算,F iGHnG j H j .j土( [.r ) F EKnV K八F i ^F nn二G i H in' G j H jj $ (1_' n) F EK + Fn由上述可以看出，结构底部总的地震剪力确定之后其结构高度大致按倒三角形的规律分布。

H越小F就变化的越快，所以结构的层高H 和F的变化必须平衡，为了使结构的重心保持一定的高度，则设计各层净高（由下向上依次）250mm，245mm，250m。

高层建筑结构具有如下主要特点。

（1）水平荷载对结构的影响大，侧移成为结构设计的主要控制目标之一。

对一般建筑物，其材料用量、造价及结构方案的确定主要由竖向荷载控制，而在高层建筑结构中，高宽比增大，水平荷载（包括风力和地震力）产生的侧移和内力所占比重增大，成为确定结构方案、材料用量和造价的决定因素。

其根本原因就是侧移和内力随高度的增加而迅速增长。

，随着高度的增加，水平荷载将成为控制结构设计的主要因素，结构侧移成为结构设计的主要控制目标。

在高层建筑结构中，除了像多层和低层房屋一样进行强度计算外，还必须控制其侧移的大小，以保证高层建筑结构有足够的刚度，避免因侧移过大而造成结构开裂、破坏、倾覆以及一些次要构件和装饰的损坏。

结构内力（N , M）、位移（△）与高度的关系如图3-1，可以看出，图3.1结构内力、位移与高度关系高层建筑中，结构要使用更多的材料来抵抗水平力，抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。

特别是在地震区，地震作用对高层建筑的威胁也比低层建筑要大，抗震设计应受到加倍重视。

（2）楼（屋）盖结构整体性要求高。

高层建筑结构的整体共同工作特性主要是各层楼板（包括楼面梁系）作用的结果，由于楼板在自身平面内的刚度很大，变形较小，故在高层建筑中一般都假定楼板在自身平面内只有刚体位移（仅产生平动和转动），而不改变形状，并忽略楼板平面之外的刚度。

因此，在高层建筑结构中的任一楼层高度处，各抗侧力结构都要受到楼板刚体移动的制约，即所谓的位移协调，这时抗侧刚度大的竖向平面结构必然要分担较多的水平力。

结构设计中，用简化方法进行内力和位移计算时应该采用其抗侧力刚度分配水平力；用计算机进行计算时应该采用整体协同工作分析或将整个结构作为三维空间体系的分析方法。

3.2强柱、弱梁、更强节点核心区结构应具有必要的承载力，刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能。

主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度。

承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

合理控制结构的非弹性部位（塑性铰区），掌握结构的屈服过程及最后形成的屈服机制，采取有效措施防止剪切和脆性破坏。

为保证结构抗震安全，结构单元根据具体情况，采取加强连接的方法。

3.3合理选择截面形式由梁的抗弯截面模量的定义可以推得：矩形截面梁，抗弯截面模量与截面高度的平方成正比，与截面宽度的一次方成正比。

通过对矩形、圆形、工字形、正方形截面的理论计算发现，在截面面积相等的情况下，ZW从大到小依次是工字形、矩形（立放）、正方形和圆形。

如果矩形平放，那么其ZW将不但小于立放，也小于截面相同的正方形。

箱形截面也是土木工程中常用的梁截面形式，上下端的顶、底板面积较大，距中性轴较远，截面的抗弯截面模量较大，所以抗弯能力较强。

梁的抗弯强度不足时，增加截面高度比增加截面宽度更有效。

对具有相同截面面积的实心及空心截面进行理论分析发现，不论截面的几何形状如何，空心截面的抗弯截面模量ZW总比实心截面的大。

从强度的观点出发，在选择截面形状时，优先选择材料远离中性轴的截面，如矩形空心截面等。