第五届全国大学生结构设计大赛 同济大学设计书

K 2 F 1 2 1874.4 N / m x 1.067 103
4.2.2 顶部集中质量 Me 的计算
顶部质量 Me 由水箱质量的贡献和悬吊质量的贡献组成，简单表达为
M 1M1 2 M 2 ， 等效质量 M M1 M 2 3.01 29.52 。
2.2 框架设计
结合赛题关于楼层净高、模型总高和铁块覆盖面积的要求，我组发现楼层高 度变化的余地不大。因此，我组选择了楼层高度基本相等的 4 层框架作为承重和 抗侧体系，并对框架梁柱节点重点加强，保证弯矩和剪力传递的连续性。
2.3 悬吊结构设计
采用悬吊结构的出发点是耗能和减震。一方面，降低结构刚度，从而降低结 构的频率；另一方面，减小地震作用下有效质量的贡献，这样可以有效地降低水 平地震作用。 1) 悬索位置的确定
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柱截面
边梁截面 图 13 结构构件截面
顶部大梁截面
四、结构计算分析
4.1 结构计算模型
该计算模型将整个框架等效为抗侧刚度为 Ke 的悬臂柱，将水箱和悬吊铁块 等效为顶部的集中质量 Me，整个模型为一个单自由度振动系统，如图 14 所示。
Me
Ke
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二、结构方案概念设计 .............................................. 2 2.1 概述 ....................................................... 2 2.2 框架设计 ................................................... 2 2.3 悬吊结构设计 ............................................... 2 三、模型制作设计与构造 ............................................ 4 3.1 总设计效果图 ............................................... 4 3.2 主要连接图 ................................................. 5 3.3 模型尺寸及铁块布置详图 ..................................... 6 四、结构计算分析 .................................................. 8 4.1 结构计算模型 ............................................... 8 4.2 手算 ....................................................... 9
1.2.2 胶水
根据赛题规定，502 胶水用作主体结构的粘结，涂胶的质量直接影响整个结 构的性能，涂胶时应做到少量、均匀。502 胶水的腐蚀性较强，使用时要非常小 心，且其挥发较快，涂胶之后应马上粘贴，否则粘结强度将会受到严重影响。
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1.2.3 热熔胶
热熔胶用于铁块、水箱与模型的固定，根据赛题，每一级加载过程中有铁块 脱落或水箱飞出均被认为是加载失败，故研究热熔胶的粘贴性能意义重大。根据 我组的实验，热熔胶与竹材、水箱的粘结效果较好，但与铁块的粘结效果较差， 在模型制作中，我组特地采取构造措施加强铁块与模型的连接。
4.2.3 自振频率 f 的计算
f 1 2 Ke 1 1874.4 6.894 Me 2 3.14 3.01 29.52 3.01 29.52
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图 14 框架模型简化为上图的单自由度体系
4.2 手算
模型近似简化为如图 14 所示的单自由度振动系统，考虑到低频波形对本结 构的不利作用，可仅对第一级加载进行计算，第二、三级加载按比例放大并进行 分析。
4.2.1 等效刚度 Ke 的计算
图 15 框架侧移刚度计算简图 材料参数：竹材的弹性模量 E=1.0×104MPa,抗拉强度 ft=60MPa。 各构件性能参数参见下表。
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截面参数表 编号 1至8 9 至 12 抗拉刚度 EA 760000 316400 抗弯刚度 EI 11460000 2547667
注:上表各参数中,力的单位为牛顿(N)，长度单位为毫米(mm).
令 F=1N，求刚架顶点的侧移，利用结构力学中的矩阵位移法，求得结构顶 部的侧移值为 x=1.067mm，整个刚架的刚度为两榀刚架的刚度之和，即：
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五、模型重量及材料表 ............................................. 20 5.1 材料表 .................................................... 20 5.2 模型质量 .................................................. 20 六、施工流程说明 ................................................. 21 七、关键问题及对策预案 ........................................... 22 八、参考文献 ..................................................... 22
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根据铁块面积的要求，楼层中悬索的吊点位置如下图：
吊点
110 184
110 188
图 1 吊点位置布置 2) 悬吊的楼板 楼层采用井字梁，不铺设楼板，既可以有效承载，又能够适当降低楼面的重 量。 3) 悬吊抗扭、限位方案 通过摩擦阻尼装置来定位楼板，减小楼面摆动幅度，使其不发生扭转。
4.2.1 等效刚度 Ke 的计算 ....................................................................... 9 4.2.2 顶部集中质量 M 的计算 ................................................................ 10 4.2.3 自振频率 f 的计算 ........................................................................ 10 4.2.4 地震效应的计算........................................................................... 11
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一、设计说明
1.1 概述
第五届全国大学生结构设计竞赛（以下简称全国赛）要求用统一规定类型的 竹制材料和 502 胶水制作高层建筑抗震模型。 对于简化的四层建筑模型的抗震性 能，在设计过程中，我组考虑了模型的刚度、质量、自振频率、地震响应等内容。 除了使结构能够承受地震荷载之外，还考虑了模型的实际使用性能以及美观。根 据赛题要求，本组进行了一系列紧张有序的试验探索分析：首先对材料的性能进 行了分析，并测定了竹制结构的阻尼比，运用高层建筑中抗震、隔震的概念设计 制作初步模型，通过一系列的实验与计算，选取出合理的结构模型，最终形成了 该计算说明书。
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三、模型制作设计与构造
3.1 总设计效果图
图 2 铁块分布示意图
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3.2 主要连接图
图 3 柱底节点加固
图 4 空心柱及加劲竹片的形式
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图 5 梁柱连接节点
3.3 模型尺寸及铁块布置详图
1.2 材料性能分析
1.2.1 竹材
本次竞赛中使用的竹材均为复压竹皮，有三种规格：1250× 430× 0.50mm、 1250× 430× 0.35mm 和 1250× 430× 0.20mm，竹材有顺纹与横纹之分，顺纹力学性 能较好，抗拉强度达到 60MPa，横纹力学性能则较差。在设计与制作过程中， 我组充分利用竹材顺纹的拉压性能， 尽量减小对竹纤维的破坏。 与其它材料相比， 竹材的延性较好，设计时做了充分的考虑。
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参赛学校：同济大学 队 名 ：藏锋
模型名称 ：虚心劲节 指导老师：卢文胜 参赛队员 ：周锐 刘长国 张艺鸽
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目
录
一、设计说明 ...................................................... 1 1.1 概述 ....................................................... 1 1.2 材料性能分析 ............................................... 1
2.4 水箱设计
赛题已经明确水箱规格，但水量可以适度调整。在模型设计阶段，我组考虑 到水箱是布置在结构的顶部的集中质量，且高度较高，对结构抗震是不利的。然 而，在试验过程中，发现水箱的水体晃动，能够有效降低结构地震反应。其原因 可能是：1）水体晃动时，质量贡献比刚性体降低很多；2）水的晃动，有一定的 频率，可与主体结构设计相结合考虑水量；3）水箱内一定质量的水的晃动，能 有效增加结构阻尼比。因此，在水箱设计时，与主体结构形式、悬吊结构质量分 布一并考虑，并完成了设计。