第五届全国大学生结构设计竞赛赛题
黄祖慰-第五届全国大学生结构设计竞赛总结(技术版)
第五届全国大学生结构设计竞赛总结（技术版）黄祖慰200805375th国赛的作品，是总结了4th国赛的失败教训，以降低模型量为重点的模型设计和制作成果。
我们通过不懈努力，终于到达了目标。
在这次比赛中，我们研究出了一些先进的模型设计和制作技巧和积累了更多的设计和制作的经验。
在此，我将通过模型从无到有的整个过程进行具体的介绍。
一、研读赛题读懂题目在结构设计竞赛中是一个最基本的要求，要做到对赛题的点点滴滴熟记于心，并且从规则中发掘模型设计的切入点。
要想获得大奖，就要对题目认真分析；努力寻找漏洞显得相当重要，是一条迈向成功的捷径。
在本次结构设计竞赛模型中，整体铁块，虚悬挑梁等都是针对题目漏洞而设计的，为模型重量的减轻做出了重要贡献。
二、准备制作工具所谓公欲善其事必先利其器，要想做好一个模型，一套好的工具是必须的。
在制作模型初期，选手可以采用非比赛指定工具来制作模型。
虽然赛题中已经明确规定了制作工具，但是由于提供工具的局限性，有些很好的想法不能够在模型上做出来。
我的建议是，先使用的工具，把想法尽可能表现出来，等到模型初步定型后，再使用比赛指定工具，寻求达到同样效果的模型的制作方法。
为了提高制作精度，画线笔可采用0.38mm的水笔。
三、研究材料特性所谓知自知彼方能百战不殆，在制作模型之前，必须先对材料进行分析，了解材料的特性，由此得知材料的实际力学性质和可加工性质。
下面我就罗列我对本次比赛的复压竹皮、竹制底板和502胶水的性质研究的一些心得：1、复压竹皮在顺纹路方向存在连续纤维，利于受拉。
但是顺纹容易被撕裂。
2、规格为0.2mm的竹皮为单层竹皮，应注意竹皮上存在的竹节的薄弱点，应尽量避开；此种竹皮，一面为光面，一面为毛面，粘贴时，光面的粘接速度要快于毛面，但是最终粘接紧密性毛面为优。
使用单层竹皮作为拉杆，存在风险，北京交通大学的模型是个典型例子。
3、规格0.35mm竹皮由一张0.2mm和一张0.15mm竹皮复压而成，其两层粘结的紧密性大于0.5mm的竹皮。
带屋顶水箱的竹制多层房屋结构
第五届全国大学生结构设计竞赛带屋顶水箱的竹制多层房屋结构计算书参赛学校：北京航天航空大学参赛作品名：玲珑塔参赛队员：宋冠中王恒李坦指导老师：黄达海目录一、题目分析 (3)二、结构选型 (3)三、结构建模及计算 (7)四、楼板对结构的影响 (22)五、结构稳定计算 (25)六、节点构造 (25)七、模型加工图及材料表 (26)八、铁块分布示意图及注水质量 (27)九、计算总结 (28)题目分析从结构观点看,该多层房屋结构首先要承受水箱及砝码传递的静荷载，因此，结构必须具有足够的静力承载力。
其次，结构主要承受水平方向的单向地震动荷载作用，这就要求结构必须具有良好的整体刚度以及整体稳定性，以抵抗水平方向的动荷载，再次结构必须具有良好的振动特性，从而避免在加载过程中出现共振现象，而且结构也必须具有一定的韧性，以保证结构在可容许的变形条件范围内不发生破坏。
综上所述，必须综合考虑结构的刚度、强度、振动特性、稳定性、整体性等多方面因素，以保证结构的抗震性达到最优化。
我们主要从结构的刚度、稳定性、振动特性三方面考虑，在刚度方面，提高结构抗震性能的最实惠的方法就是适当增加支撑，因此我们会寻求一种保证结构质量的前提下，比较适宜的加支撑的方法；在稳定性方面，我们设想要通过结构选型来控制结构重心，并尽量降低其高度，避免结构出现“头重脚轻”的情况，以增加结构的稳定性；在振动特性方面，由于地震方向是随机的，因此结构应该具有良好的对称性，除此之外，我们设想通过降低结构重量，增加结构刚度来提高结构的固有频率，从而降低结构振幅，增大结构抗震阻尼，进而提高结构抵抗变形的能力。
一、结构选型多层楼房结构的选型，主要在于梁柱主要受力构件的组合形式，各立面支撑形式以及楼盖板形式的选择。
为在保证承载力以及结构刚度的基础上尽量减小结构重量，我们通过以下几个方案进行对比分析，得出最优方案：侧面常规方案①（图1-1）首先我们考虑最常规的方案，就是将结构做成每层等高，整体做成高一米的长方体构型，柱采用5mm*4mm方形柱，梁采用3mm*4mm方形梁，楼面做成正方形并且使面积利用充分（22cm*22cm），每个大侧立面整体加两个对角线支撑，做成一个长方形刚架。
第五届全国大学生结构设计竞赛计算书概要
“龙麟杯”第十一届南京工业大学结构设计竞赛暨第五届全国大学生结构设计竞赛选拨赛设计计算书参赛队伍:菁竹之光作品名称:竹光永恒目录一.概述 --------------------------------- 1二.结构选型与建模 ------------------------- 1三.结构设计方案说明 ----------------------- 2四.结构几何与材料属性 --------------------- 5五.结构在静荷载和地震荷载作用下的计算 ----- 5(1恒载作用下内力和位移计算分析----------- 6(2恒载+地震作用下内力和位移计算分析------- 9一.概述此次竞赛模型规定为至少四层房屋结构模型,并且在模型顶部设有水箱。
模型要求总高度为100±0.5 cm,且至少具有四层结构,且每层净高不小于22cm。
模型底面尺寸不大于22cm ×22cm正方形平面,每层规定有效承载面积的范围和总承载面积。
其目的在于满足竞赛模型要求的情况下,应用空间结构力学的知识,设计出材料用量最少,同时能够满足足够的强度和刚度要求,并且能够抵抗模拟水平地震荷载的结构模型。
二.结构选型与建模考虑到结构需加载水平地震波,我们小组选择了框架结构。
因为框架结构空间分隔灵活,自重轻,有利于抗震,节省材料。
又框架结构侧向刚度较小,属柔性结构,在水平加速度的作用下,能够产生较大位移而不发生结构性的破坏,造成梁柱断裂或倒塌等后果。
结构模型效果图根据竞赛要求,加载方向通过抽签决定,所以模型外形采用了中心对称的方式,楼板均为正方形。
为了使重心尽量偏低,设计时在底层加载较多的铁块,并且顶层面积适当缩小。
结构立面图三.结构设计方案说明楼板设计说明:出于中心对称的设计,楼板采用了正方形的几何图形,每层楼板四周分别设置5mm×10mm的梁,嵌入方形柱内部。
因为铁块均匀分布,楼层中央将为压力重心,楼板下层受拉最大,故在楼层中间设置X型的梁,承载铁块分布的重量,并且铁块尽量沿四周分布。
大学生结构设计竞赛-广西建设教育协会
附件1广西第五届大学生结构设计竞赛赛题主办单位：广西建设教育协会承办单位：南宁职业技术学院竞赛日期：2014年12月16 日～19日目录1 竞赛题目和内容 (2)1.1 竞赛题目——“龙门吊机”模型设计制作与加载 (2)1.2 竞赛内容 (2)2 理论方案要求 (2)2.1 理论方案 (2)2.2 理论方案格式和要求 (2)3 模型制作要求 (3)3.1 模型制作材料和工具 (3)3.2 模型制作内容 (3)4 加载步骤及要求 (4)4.1 加载前准备 (4)4.2 加载步骤 (5)（1）采用逐级加载方式进行静载加载 (5)（2）采用移动方式进行动载加载 (6)4.3 关于加载失效的认定标准 (6)5 评分标准 (7)5.1 评分构成 (7)5.2 评分细则 (7)（1）理论方案和加载结束模型状态预测（共10分） (7)（2）结构造型与制作质量（共10分） (7)（3）静载加载试验（70分） (8)（4）动载加载试验（10分） (8)6 结构设计竞赛模型和加载装置示意图 (9)7、附件：广西第五届大学生结构设计竞赛封面 (10)1 竞赛题目和内容1.1 竞赛题目——“龙门吊机”模型设计制作与加载“龙门吊机”它是一种吊装工程中常用的机械设备，也叫门式起重机。
主要用于室外的货场、料场、散货的装卸作业。
它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。
门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场、桥梁、隧道的预制和吊装工程中得到广泛使用。
如右图所示。
1.2 竞赛内容竞赛内容包括：理论方案、模型制作、作品介绍、加载试验。
2 理论方案要求2.1 理论方案理论方案内容包括方案图和计算书。
（1）方案图：应包括结构作品效果图、结构布置图、主要构件和节点详图。
（2）计算书：应包括结构计算简图的选取、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。
第五届全国大学生
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。
第五届全国大学生 结构设计竞赛 计算书
参赛学校：安徽建筑工业学院 作品名称：竹之韵 参赛队名称：垤樽 参赛队员：卢光天 任席江 姜婷婷 指导老师：郝英奇
目录
1.设计说明
…………………………………………… 1
1.1 设计理念
…………………………………………… 1
1.2 结构选型
…………………………………………… 1
4.计算书
…………………………………………9
4.1 计算方法和计算模型假设 ……………………………………9
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 ………………………………………………11
4.4 结构内力分析计算 …………………………………………16
4.5 结构强度、刚度验算„„„„„„„„„„„„„21
2.方案图
…………………………………………… 2
2.1 结构整体布置图 …………………………………………… 2
2.2 节点详图
…………………………………………… 3
2.3 铁块分布详图及水箱注水量……………………………………………………………………5
3.模型加工图及材料表 ……………………………………………6
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。
天津大学第五届全国结构设计大赛计算书
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这种大角度的可以充分提高结构的整体性，使得结构整体充分受力，进而提高结 构的刚度以及强度。在结构振动过程中，这种支撑的存在也在一定程度上可以让我们 有一定的控制结构自身频率的余地， 我们可以通过改变他的刚度来改善结构的自震频 率，为后面调频使用 TLD 减震做铺垫。 楼板是我们结构设计的一个创新点。我们考虑到楼板一旦发生较大的挠度的话， 会对结构整体的稳定性以及主梁和次梁的连接处造成很大的破坏， 同时大变形也会增 大我们理论软件分析去模拟这种情形的难度，所以，我们设计了如下图所示的组合楼 板来保证楼板的刚度：
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三、受荷分析
该结构的控制荷载为地震作用。故下面主要进行地震作用下的时程分析。 结构针对地震波的抗震计算，目前比较好的办法就是时程分析。时程分析法是世 纪 60 年代逐步发展起来的抗震分析方法。用以进行超高层建筑的抗震分析和工程抗 震研究等。至 80 年代，已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。 “时程分析法”是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时 间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法，也为国际通用的动力分析方 法。 “时程分析法”常作为计算高层或超高层的一种（补充计算）方法，也就是说满足 了规范要求的时候是可以不用它计算结构的。规范规定：对于特别不规则的建筑、甲 类建筑及超过一定高度的高层建筑，宜采用时程分析法进行补充计算。所以有较多设 计人员对应用时程分析法进行抗震设计感到生疏。近年来，随着高层建筑和复杂结构 的发展，时程分析在工程中的应用也越来越广泛了。 建模说明： 在 ansys 时程分析模拟时，我们采取了 beam188link8shell63mass21 这四类单元。 其中，beam188 主要用来模拟柱子和主梁以及次梁；link8 用来模拟支撑；shell63 用 来模拟筒体剪力墙；mass21 来近似模拟铁块荷载。 在建模时，我们简化了一些问题： 关于水箱：水箱可以起到减震的作用，但是考虑到时程分析若加入流体 80 单元 的话，整个计算文件较大，况且软件模拟本身就存在一定误差，因此，在软件模拟时， 暂时不考虑它的减震作用。从另一方面来说，这样分析出的结果是更加不利的，可以 起到一个安全系数的作用。当然，我们也做了真实的实验，这可以在一定程度弥补我 们在软件分析时的不足。 关于铁块荷载：我们在确定了铁块的分布模式之后，利用 mass21 单元来近似模 拟铁块荷载。为了提高我们模拟的精度，我们会在楼板设定四个质量点，使得 mass 分布较为接近真实荷载模式，不会采用一个质量点来模拟，这样的误差校对会减小。 关于剪力墙：我们结构主要的抗弯设计就是在剪力墙，因此，剪力墙的计算要求 精度较高。我们利用 shell63 来模拟，可以很精确的模拟出这种效果。 结果分析： 对于我们时程分析的结果，我主要提取了结构的位移时程曲线，最大应力时刻 （vonmises 应力分布云图）这两个结果，分别从刚度和强度两个角度来分析结构在地
第五届全国大学生结构设计竞赛优秀奖作品 (3)
带屋顶水箱竹质多层房屋设计方案【摘要】本作品严格按照“第五届全国大学生结构设计竞赛”要求，采用组委会提供的各种规格竹材及胶水的力学特性，以获得最理想的效率比为结构设计目标，根据结构设计动力学和静力学理论，通过一系列的试验摸索和反复计算，逐步对方案分析和优化，在结构自重、楼层荷载分布的高度和重量、所能承受的最大地震波加速度峰值等四个方面进行最优组合，经过数月的努力，精心设计并制作了符合竞赛要求的结构模型——挺然。
【关键词】木竹结构多层房屋结构地震波效率比目录目录 (III)1.设计思路 (1)2.模型方案 (2)2.1结构方案 (2)2.2铁块布置 (5)2.3水箱设置 (5)3.理论计算 (6)3.1模态分析 (6)3.2静力分析 (8)3.3动力分析 (14)4.试验研究 (15)4.1材料试验 (15)4.2振动台加载 (16)5.施工要素 (16)5.1下料及构件制作 (16)5.2组装 (17)5.3其他 (17)6.结论 (17)1.设计思路本次赛题为制作多层竹质房屋结构，结构顶部及各层楼面分别放置水箱和附加铁块，利用小型精密振动台系统模拟水平地震作用对结构进行加载，考察其承载力。
通过对赛题的深入理解，我们从以下几个主要原则着手设计：✧结构材料特点：充分利用赛题所给出的竹制材料所具有的良好的拉、压性能，同时，运用竹皮可以方便的裁制出各类所需要的杆件截面，制作出得杆件具有良好的柔韧性。
达到结构“柔而不坏”的特点✧结构动力特性：针对加载的三条地震波，经反应谱分析可知，峰值反应谱频率主要分布在2～6Hz范围内。
为此，从减小结构的地震作用的角度出发，应尽可能使结构主要自振频率避开此区间。
考虑到结构做的刚度较大将无形中会增加材料的用量，所以我们争取将结构的第一阶自振频率控制在2Hz以下。
✧结构节点要求：自振频率的降低必然会使结构趋柔，从赛题规则来看，对结构变形未提出要求。
变形的大小不会影响成绩。
中南地区大学生结构设计竞赛赛题
附件：第五届中南地区大学生结构设计竞赛赛题高压输电塔结构设计一、选题背景高压输电塔线体系是高压电能的输送载体（如图1所示），是极其重要的生命线工程，具有塔体高、跨距大、柔度大等高耸结构和大跨结构的共同特点，对地震、强风等水平动力作用响应灵敏，容易发生振动疲劳损伤，甚至会引起结构倒塌破坏，造成严重的灾害。
图1 高压输电塔二、竞赛模型及制作要求2.1 竞赛模型采用高压输电塔作为竞赛模型，图2为输电塔实例照片（输电塔并不局限于该形式）。
(a) 轴测图(b)立面图(单位：cm) (c)俯视图(单位：cm)图2 模型示意图a ( cb ( d )2 ( 4 )1 ( 3 5 ( 76 ( 8 )图2为输电塔轴测图、立面图和俯视图。
数字1到6表示与输电塔连接的六根输电线（输电线方向沿Y 向水平布置），a 、b 、c 、d 分别为输电线与输电塔的连接点，其中a 点和b 点同高，c 点或d 点同高。
模型高度（Z 轴方向）为1000mm ，允许误差为±5mm ；a 点和d 点距底板高度为300mm ；c 点和d 点距底板高度为700mm ；1和2、3和4、5和6、7和8号输电线之间的间距均为300mm 。
模型底面X 和Y 方向尺寸限制在300mm ×300mm 以内，模型底脚用热熔胶固定于底板之上， 底板尺寸及预留空洞见图3所示。
2.2模型制作要求（1）输电塔采用格构式结构；（2）下部净空尺寸要求：底层中部空间能容纳一个底面直径250mm 、高700mm 的圆锥；（3）1和5号输电线与输电塔的连接点为同一点（即a 点），2和6号输电线与输电塔的连接点为同一点（即b 点），3和7号输电线与输电塔的连接点为同一点（即c 点），4和8号输电线与输电塔的连接点为同一点（即d 点）；（4）输电线与输电塔的连接点的悬挑长度l 不得小于90mm ；（5）除竖向高度外，模型其他尺寸精度要求为±3mm ；（6）加载点a 、b 、c 、d 处竖向配重各2 kg 。
2013年大连交通大学第五届结构设计大赛命题
2013年辽宁省普通高等学校本科大学生结构设计竞赛命题及竞赛方式一、竞赛题目移动偏载作用下两等跨双车道连续桥梁结构模型。
二、模型制作1.模型制作材料模型制作材料为组委会统一提供的230克巴西白卡纸、铅发丝线和白胶。
任一参赛队不得使用组委会指定以外的其它任何材料，否则将直接取消参赛资格，并通报。
2.模型尺寸要求桥梁的类型不限，但必须保持主梁和桥面为连续梁（连续梁判定：提交作品时，将中支座撤掉，在中支座位置处加0.5kg静荷载，桥梁结构不发生破损为标准），模型的纵桥向长度要求在区间（2000，2020）mm范围内，横桥向宽度要求在（200，300）mm 范围内。
桥面设置两个车道，每个车道宽不得小于100mm，因两车道之间设有行车导索，所以车道之间不能有立柱、拉索一类的构件。
桥面以下的模型高度不得大于200mm，桥面高差不得大于20mm。
模型具体长度尺寸拟定请参考试验平台示意图，试验加载支架见附图1所示，试验加载支架细部尺寸见附图4所示。
桥面要求满铺且能承受加载小车的荷载。
模型除与支座、两端下压板、前端挡板接触外，不能与加载装置的其他部位接触。
为保证小车能够顺利通过，模型应根据加载小车的尺寸，预留足够的通行空间，并能够满足给定的加载装置，请参赛队注意加载装置给定的条件。
3.挠度测点布置每跨在跨中布置两个挠度测点，测点位于两个行车道中心位置，挠度测试点位于桥面底面，故每个参赛队提交作品时，需用彩色笔在每跨跨中桥面顶面及桥面底面绘制标线，同时绘出两个行车道中心线，挠度测点处需设刚性横梁。
4.支座条件加载装置设置3个支座，位于一条直线上，两端支座的中心距为2010mm，中间支座位于外侧两端支座的中点位置。
支座沿顺桥方向宽度为30mm，支座沿横桥方向长度为300mm。
两个端支座提供竖向支撑和顺桥向约束，中间支座仅提供竖向支撑。
边支座和中支座顶面距桥面距离为150mm，试验整个过程中3个支座固定不动。
5.加载小车尺寸加载小车外轮廓最大尺寸为长200mm，宽90mm，高150mm，具体见附图2、附图3所示。
第五届全国大学生结构设计大赛作品
“PKPM”杯第五届全国大学生结构设计竞赛计算书摘要“PKPM”杯第五届全国大学生结构设计竞赛参赛作品——“竹”，欲学竹之挺拔，PK竹之坚韧，能矗立于大震之后。
该作品采用仿生设计。
柱脚仿竹之根须，分散粘接于底板，锚固可靠；柱身仿竹之躯干，为中空截面，上细下粗，受力合理；梁柱节点仿竹之竹节，连接牢靠，韧性好。
根据竞赛规则和地震波特性，合理设计了结构形式和铁块放置方式，形成了上部水平刚度小，下部水平刚度大，同时兼顾稳定性的结构体系。
在满足竞赛所有要求的前提下，经多次计算、试验和优化，作品“竹”在平面上呈边长141mm的正方形，每层有4个矩形箱型截面主梁，并由4个三角形箱型截面柱支撑；为布置更多铁块，在第三层上采用了悬挑梁，以扩大楼层面积；在立面上，布置了一些控制结构水平刚度和提高稳定性的斜向和水平支撑。
考虑材料的离散性和制作工艺的误差，作品“竹”的自重为78±5g，承载27±3kg铁块和满载的水箱，其有效承载面积为648cm2，能成功抵御竞赛给定的各级地震作用。
总之，作品“竹”造型简洁、工艺精美、受力合理、结构材料效率比高，实现了模型自重轻、抗震性能好的目标。
目录1设计说明 (2)2 结构选型 (3)3 结构建模及主要计算参数 (4)3.1 分析假定 (4)3.2 材料特性、几何模型 (5)3.3 静、动力荷载参数 (6)3.4 有限元模型的建立 (7)4 结构受荷分析 (8)4.1 结构静力分析 (8)4.2 结构动力分析 (9)5 节点构造 (12)5.1 支座节点 (12)5.2 相贯节点 (12)6 模型加工图及材料表 (13)6.1 模型加工图 (13)6.2 材料表 (15)7 铁块分布详图 (16)7.1 铁块分布详图 (16)7.2 水箱注水重量 (18)附录：参赛作品“竹”设计图1 设计说明“PKPM”杯第五届全国大学生结构设计竞赛结构设计竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。
第五届湖南省大学生结构设计竞赛题目及规程征求意见方案
第五届湖南省大学生结构设计竞赛组委会 2016年7月1日
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及自带的卷杆工具，包括： （1）1000mm钢直尺1把、500mm钢直尺1把； （2）美工刀3把、剪刀1把、涂胶用刷子2把、HB铅笔2支； （3）除自带的三角板、吹风机（限吹头发的电吹风）、卷杆工具，其它材 料（如干燥剂）、工具禁止带入比赛现场。 3、模型制作要求 （1）制作的结构模型必须与提交的设计文件一致； （2）模型设计时，应考虑模型能直接放置在砂箱底板上，即在装填砂基前， 模型的基础能够支撑起墩、梁的自重； （3）用铅笔在模型上标记好墩、基础的分界线，加载区域界限；标记梁顶 平面两条对称线；在两悬臂端分别标记大写字母 A、B。 （4）加载成功的模型需拆卸开检查是否使用其它材料。
I--I Ⅱ Ⅰ Ⅲ Ⅲ Ⅱ--Ⅱ
Ⅱ Ⅲ--Ⅲ
Ⅰ
图 2 模型允许区域示意图
（1） 模型正立面呈 T 形， 模型总高度 500mm， 总长度 700mm， 墩高度 200mm， 基础高度 200mm，以上尺寸容许误差为±5mm。
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（2）梁顶要求提供一水平实平面（至少为一层纸厚） ，此平面高度自基础底 起算为 500mm，平面尺寸要求为 700mm× 100mm。以上尺寸容许误差为±5mm。 竖向荷载加载在梁顶面两端及中间指定区域（图 2 中Ⅲ—Ⅲ断面阴影区域）中。 （3）T 构模型的各构件，在正立面不能超出图 2 中 I—I 断面区域，在侧立 面不能超出图 2 中Ⅱ—Ⅱ断面区域。 3、模型结构型式要求 在满足上述条件的前提下，模型的具体结构型式可自由设计。 4、模型重量要求 模型总质量不得超过 1500.0g。 5、设计文件要求 （1）设计文件内容：设计文件包括设计说明书、方案图和计算书。设计说 明书应包括对方案的构思、 造型和结构体系及其他有特色方面的说明；方案图应 包括结构整体布置图和主要构件详图；计算书应包括结构选型、计算简图、荷载 分析、内力分析、承载能力估算等。 （2）设计文件装订：文件用 A4 纸打印，按目录、设计说明书、方案图和计 算书的顺序编排装订；封面必须注明作品名称、参赛学校、参寒队员姓名和指导 老师。为便于评审，封面采用活页（可用少量双面胶与正文粘贴） 。 （3）设计文件一式五份，于现场报到时交到竞赛组委会，否则作自动弃权 处理。
结构设计竞赛中竹质模型侧移刚度的选取依据
结构设计竞赛中竹质模型侧移刚度的选取依据【摘要】以第五届全国大学生结构设计竞赛为背景，利用有限元法对小幅调整侧移刚度后的竹质结构模型进行了模态分析和时程分析。
主要比较了不同侧移刚度模型在第三级地震荷载作用下的应力特性，探讨了模型在侧移刚度小幅调整后抗震能力的变化情况。
结果表明：侧移刚度连续性好的模型抗震能力较好。
【关键词】结构设计竞赛；侧移刚度；抗震能力；有限元法引言（1）背景第五届全国大学生结构设计大赛要求设计者设计出一种在静荷载的基础上还能承受三级地震荷载的竹质多层房屋结构。
静荷载采用铁块和水箱模拟实现，地震荷载采用振动台单方向分三级加载。
三级加载中，通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获得不同峰值加速度和频率的地震波。
加载数据如表1所示，基准地震波如图1。
制作材料为竹皮，弹性模量为1.0×104mpa，抗拉强度60 mpa。
具体参照《2011年第五届全国大学生结构设计竞赛赛题》。
（2）问题的提出按要求设计了一个五层框架结构模型，在试验过程中发现，模型的下三层结构经过探索和优化后能较好的承受各项荷载，但是第四层却总是出现斜撑断裂的情况，最终导致模型整体垮塌。
最初的解决方案是增大第四层拉条的宽度，但是这样既会让模型不够美观，又增加了模型的质量。
分析认为，模型第四层到第五层的侧移刚度变化较大，使得由底部到顶部整体侧移刚度变化不连续，可能是模型垮塌的最初原因。
1. 有限元模型及参数建模过程中分析了三种模型，通过小幅调整斜撑的位置改变局部的侧移刚度，根据单一变量原则，各模型除了第四层斜撑的位置有变化外，其他条件都相同。
又考虑到本次比赛的关键在于在地震作用下结构是否破坏，而非位移量的大小，所以在进行抗震能力分析时以第三级地震荷载作用下的应力作为主要指标。
1.1模型数据模型为五层框架结构（地面为第一层），楼层间距自下而上依次为127 ，192 ，227 227 ，227 ，柱与柱轴心间距为130 。
第五届全国大学生结构设计竞赛题目
第五届全国大学生结构设计竞赛赛题带屋顶水箱的竹质多层房屋结构一、竞赛模型竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。
（结构形式的选择）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，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块通过实现，小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型由参赛选手制作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上，图1给出了一示意性结构图。
图1模型示意图二、模型要求2.1几何尺寸要求(1)底板：多层结构模型用胶水固定于模型底板上，底板为33cm×33cm×8mm的竹板，底板用螺栓固定于振动台上。
(2)模型大小：模型总高度应为100cm，允许误差为±5mm。
（是高有利还是矮有利）总高度为模型底板顶面至屋顶(模型顶面)上表面的垂直距离，但不包括屋顶水箱的高度。
模型底面尺寸不得超过22cm×22cm的正方形平面，即整个模型需放置于该正方形平面范围内，模型底面外轮廓与底板边缘应有足够的距离以保证螺栓能顺利紧固。
(3)楼层数：模型必须至少具有4个楼层，底板视为模型第一层楼板。
除第一层以外，每层楼面范围须通过设置于边缘的梁予以明确定义。
(4)楼层净高：每个楼层净高应不小于22cm.（每层层高对抗震的影响），楼层净高是指该楼层主要横向构件顶部与其相邻的上一楼层主要横向构件底部之间的最小距离。
若底板上设置有地梁，则第一层净高需自地梁顶部开始计算；若无地梁则从底板顶面开始计算。
柱脚加劲肋、隅撑及其他外立面构件（加这些东西的影响）不影响计算楼层净高。
(5)使用功能要求：楼层应具有足够的承载刚度，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。
（何为内部，何为外部？外部可以加斜撑？）模型底层所有方向的外立面底部正中允许各设置一个12cm×12cm(高×宽)的门洞。
第五届全国大学生结构设计竞赛赛题部分条文说明和答疑_(一)
第五届全国大学生结构设计竞赛关于赛题部分条文说明和答疑(一)1. 对赛题第一章“水箱通过热熔胶固定于屋顶”与赛题第五章第（2）条“502胶水：用于模型结构构件之间的连接及水箱与模型的固定”的说明。
说明：现明确：模型构件之间的连接、模型与底板的连接均采用502胶，附加铁块的固定、水箱的固定统一采用热熔胶。
2. 对赛题第二章2.1第（5）条：“在模型内部，楼层之间不能设置任何横向及空间斜向构件”的说明。
说明：本条规则中“模型内部”所指的范围不包括模型外立面。
图1(a)~(c) 给出几组示例。
（a）横向构件（违规）（b）空间斜向构件（违规）（c）外立面构件（不违规）图1 构件布臵示例3. 对赛题第二章2.1第（5）条：“模型底层所有方向的外立面底部正中允许各设置一个12cm×12cm(高×宽)的门洞”的说明。
说明：1）本条规则要求模型底层所有外立面必须保留设臵门洞的空间，其尺寸为12cm×12cm(高×宽)，即在此范围内不应设有任何构件（如剪力墙、支撑等）。
在各参赛队最终提交模型时，组委会将采用一个长方体（长×宽×高为12cm ×12cm×2.5cm）对模型进行检验，要求长方体能“穿透”底层各外立面。
2）请注意，本条规则并不要求在模型上进行门洞构造。
4. 对赛题第二章2.1第（6）条：“模型顶面为平面，应满足安全放置水箱的要求”的说明。
说明：本条规则对于模型顶层的面积不作具体要求，但模型必须使得水箱能够安全放臵。
若由于顶层尺寸不合适而导致水箱无法安装，则模型判为失效，取消振动台加载资格。
5. 对赛题第二章2.2第（3）条全文的说明。
说明：1) 本次比赛中，水箱只允许竖直、正向(水箱盖朝上)放臵，在比赛第2号通知的附件2中提供了比赛所用水箱的产品品牌(乐扣牌)、型号和规格的信息。
2) 请注意，水箱尺寸155mm×155mm×257mm中155mm×155mm为上表面盒盖的外轮廓尺寸，而与模型顶层直接接触的水箱下底面外轮廓尺寸为124mm×124mm，如图2所示。
第五届结构模型大赛试题
第五届结构模型设计制作大赛试题1、竞赛模型竞赛模型为体育场看台上部悬挑屋盖结构，采用纸质材料制作，具体结构形式不限。
模型包括下部基础和上部挑篷结构两部分。
其中下部基础由承办方提供；上部挑篷结构由参赛选手设计制作，并通过螺栓与下部结构连接。
图1给出一示意性结构形式（看台为理想示意图）。
图1示意性悬挑屋盖结构2、模型要求2.1 下部结构组委会会结合实际提供相应的下部结构。
看台：此次结构模型设计大赛，未予提供专业的梯形看台结构，而已桌子代替底部看台，看台顶部设有过渡钢板，过渡钢板和看台固定在一起。
钢板平面尺寸150mm×600mm。
板上设有M4螺栓孔（m4螺栓孔的规格请各位选手自己查找，便于模型支撑骨架的制作），用于固定上部挑篷结构。
钢板上的螺栓孔的分布规律如图2所示。
29*7个孔与28*6个孔交叉排列（孔半径4mm、间距20mm）。
图2 过渡钢板螺栓孔分布规律图3看台侧视图2.2挑篷结构挑篷结构包括支承骨架和围护材料两部分。
支承骨架由0号绘图纸制成，由各队自行设计，形式不限。
围护材料采用220g布纹纸，各队自行裁剪粘贴。
要求围护材料在外观上必须全部覆盖挑篷上部及背部区域；即从挑篷上方和后方看，围护材料不得出现空隙。
围护材料可探出支承骨架边缘，但其最大探出长度不得大于20mm。
为保证竞赛的公平性、合理性和可操作性，对挑篷几何尺寸做如下限定：1）在距挑篷前缘60mm区域内（图4中的A点附近），必须保证屋面平坦，不得有明显的倾斜和弯曲，以便竞赛过程中的加载与测量；2）挑篷结构上弦前缘（即图4中的A点）高度不得低于650mm，在挑篷结构的下方（即图4中B点以下以右区域）不得出现任何构件；3）屋面前缘最低点不得低于后缘的最高点，相当于图4中的A点高度不低于C点。
4）C点的高度请参考实际情况予以设定。
5）挑棚的覆盖面积不得小于560mm*785mm图3 尺寸限值（图中括号内数字为相对于O点的坐标）3、加荷方式采用在悬挑屋盖上加竖向静载和风荷载的方式考核各队模型的刚度和承载力。
第五届全国大学生结构设计竞赛(2)
第五届全国大学生结构设计竞赛理论方案指导老师：雷进生学生：殷杰徐芬刘威二〇一一年八月目录一、结构设计说明 (3)1、作品简介 (3)2、框架结构设计 (3)二、模型制作 (7)1、结构整体布置图 (7)2、主要构件详图 (8)3、方案效果图 (9)4、结点详图 (10)三、结构计算 (11)1、平面结构振型分解 (11)2、模拟加载质量计算 (12)3、结构力学求解器求解过程 (15)4、结构有限元受力分析 (28)4.1有限元的理论解析 (29)4.2 有限元计算详图 (30)4.3结构各阶模态参与因数 (34)4.4荷载作用下的位移云图 (36)4.5 有限元计算结果 (53)一、结构设计说明1、作品简介作品名称：质量：447g结构宽度：200mm结构高度：1000mm2、框架结构设计该模型的横截面是一个正方形。
考虑到模型的刚度和强度要求，4根柱由3层厚度为0.5mm的材料粘接成横截面为12mm×12mm的空心杆，梁由2层厚度为0.35mm的材料粘接成横截面为8mm×6mm的空心杆，结构中间的斜拉杆是有2层厚度为0.35mm的材料粘接成横截面为4mm×4mm的空心杆,每层楼板是由下而2层从厚度为0.25mm的材料上撕下来的薄纸粘贴而成。
这样既能满足结构刚度和强度的要求，又能节约材料，从而减轻模型的质量。
并且在模型每个结点处都用厚度为0.25mm的材料做成的腰为30mm的薄片进行粘贴，来保证模型在震动的过程中结点不易受到破坏。
该模型为四层房屋桁架结构模型。
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，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。
合理安排梁的间距与横截面，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。
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第五届全国大学生结构设计竞赛赛题：带屋顶水箱的竹质多层房屋结构一、竞赛模型竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。
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，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块通过实现，小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型由参赛选手制作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上，图1给出了一示意性结构图。
图1 模型示意图二、模型要求2.1几何尺寸要求(1) 底板：多层结构模型用胶水固定于模型底板上，底板为33cm×33cm×8mm的竹板，底板用螺栓固定于振动台上。
(2) 模型大小：模型总高度应为100cm，允许误差为±5mm。
总高度为模型底板顶面至屋顶(模型顶面)上表面的垂直距离，但不包括屋顶水箱的高度。
模型底面尺寸不得超过22cm ×22cm的正方形平面，即整个模型需放置于该正方形平面范围内，模型底面外轮廓与底板边缘应有足够的距离以保证螺栓能顺利紧固。
(3) 楼层数：模型必须至少具有4个楼层，底板视为模型第一层楼板。
除第一层以外，每层楼面范围须通过设置于边缘的梁予以明确定义。
(4) 楼层净高：每个楼层净高应不小于22cm。
楼层净高是指该楼层主要横向构件顶部与其相邻的上一楼层主要横向构件底部之间的最小距离。
若底板上设置有地梁，则第一层净高需自地梁顶部开始计算；若无地梁则从底板顶面开始计算。
柱脚加劲肋、隅撑及其他外立面构件不影响计算楼层净高。
(5) 使用功能要求：楼层应具有足够的承载刚度，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。
模型底层所有方向的外立面底部正中允许各设置一个12cm×12cm(高×宽)的门洞。
(6) 楼层有效承载面积：楼层范围为各承重分区最外围楼层梁构件所包络的平面，不包括模型内部核心筒区域。
在楼层范围内与楼面构件直接接触的铁块的覆盖面积定义为楼层有效承载面积，模型的总有效承载面积应在600cm2至720cm2的范围之内，且每个楼层的有效承载面积不得小于25 cm2。
模型顶面为平面，应满足安全放置水箱的要求。
图2 模型立面示意图(单位：mm) 图3 模型底板示意图(单位：mm)2.2模型及附加铁块安装要求(1)利用热熔胶将附加铁块固定在模型除底层以外的各个楼层的楼面结构上，可在楼层上设置固定铁块辅助装置，但辅助装置和铁块不能超出楼层范围且不能直接跟柱接触，若辅助装置或铁块与柱子接触，则该层净高以接触点的高度位置开始计算。
(2) 提供大、小两种规格铁块。
大铁块长、宽、高约分别为12cm、6cm与3.2cm，重量为1800g。
小铁块的长、宽、高约分别为6.0cm、4.5cm与3.2cm，重量为675g。
由于加载设备限制，模型中附加铁块总重量不得超过30kg。
(3) 模型顶面上应放置水箱，且水箱内应至少注入10cm高的水。
水箱尺寸的长、宽、高为15.5cm×15.5cm×25.7cm，容量为4L。
模型顶面不能放置铁块。
（4）模型试验仅在单一水平向施加地震作用，模型的抗侧体系应在计算书中阐述清楚。
试验时模型放置方向按照安装底板标识(A或B，如图3中所示)通过抽签挑边确定。
三加载设备介绍结构模型采用WS-Z30小型精密振动台系统进行模拟水平地震作用的加载，考察模型承载力。
振动台系统的主要组成部分及相关参数信息如下（详情可参见竞赛材料及设备介绍附件2）：图4 水平振动台和激振器图5 功率放大器水平振动台：型号：WS-Z30-50指标：水平台尺寸：506×380×22mm，荷载：30kg，重量：11.5kg，材料：铝合金L Y12。
功能：承载实验模型。
激振器：型号：JZ-50指标：工作频率：0.5～3000Hz，最大位移：±8mm，激振力：500N，重量：28kg功能：使水平台振动。
功率放大器：型号：GF-500W指标：失真度：<1%，噪声：< 10mV，输出阻抗：0.5Ω，工作频率：DC～10000Hz，输出电流：25A，输出电压：25V，功率：500V A，供电电压：220VAC，尺寸：44x48x18cm，重量：18g功能：为激振器提供输出功率关于该振动台系统的其它组成部分(控制传感器、振动台控制仪、电荷放大器等)的介绍详见附件2。
四、加载与测量4.1 输入地震波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。
振动台输入的地震波取自2008汶川地震中什邡八角站记录的NS方向加速度时程数据，原始记录数据点时间间隔 t为0.005s，即数据采样频率f为200Hz，全部波形时长为205s，峰值加速度581gal。
截取原始记录中第10s~42s区间内的数据，并通过等比例调整使峰值加速度放大为1000gal，作为本次竞赛加载所用的基准输入波，如图6所示，其数据文件如附件3所示。
图6 竞赛加载所用的基准输入波（32s）4.2 荷载施加方式竞赛加载共分三级进行。
在三级加载中，通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波，以全面检验模型对于不同强度和频谱成分地震波作用下的承载能力。
加载时功率放大器的增益(Gala)旋钮统一调至90度标识，此时三级加载的设备输入电压和数据采样频率控制值如下表所示：时，振动台面上的竹模型附加了24块小铁块，台面位移未超限。
实际输出的台面加速度峰值会因模型结构型式、附加铁块重量及布置方式的不同而存在一定差异。
4.3 台面振动加速度峰值的测量在对每个模型的每一级加载过程中，都通过传感器对台面振动加速度进行实测。
本次竞赛采用的加载设备所允许的台面最大位移为±8mm，若一些模型在加载过程中，振动台台面位移超限，致使台面与限位装置撞击，产生高频加速度分量，将会对结果产生影响。
因此实测的台面振动加速度将经过滤波处理后输出，设定加载设备的滤波限值为低通20Hz。
加载过程中，将实时显示该级加载下台面振动加速度的峰值I，用于最终模型效率比的计算（参见第七项：评分标准）。
注：如因台面位移超限而引起的结构不良反应符合4.4所列情况，均判加载失败。
4.4 模型失效评判准则在进行加载时，出现下列任一情形则判定为模型失效，不能继续加载。
同时，将上一个加载级别视为该模型实际所能通过的最高加载级别，并作为模型效率比计算的依据（参见第七项：评分标准）。
(1) 第一级加载时：模型中的任一构件出现破坏；(2) 第二级加载时：模型的主要构件——梁和柱中任一构件出现破坏；(3) 第三级加载时：模型整体或任一楼层发生坍塌或任一柱脚脱离底板；(4) 每一级加载过程中有铁块脱落或水箱飞出。
上述失效准则中的“构件破坏”定义为构件出现明显开裂、断开或者节点脱开。
五、模型材料竞赛期间，承办方为各队提供如下材料及工具用于模型制作。
(1) 竹材：用于制作结构构件。
有如下两种规格：竹材规格 款式1250×430×0.50mm 本色侧压双层复压竹皮1250×430×0.35mm 本色侧压双层复压竹皮1250×430×0.20mm 本色侧压单层复压竹皮竹材力学性能参考值：弹性模量1.0×104MPa ，抗拉强度60MPa 。
(2) 502胶水：用于模型结构构件之间的连接及水箱与模型的固定。
(3) 热熔胶：用于铁块与模型的固定。
(4) 模型底板：底板厚度约8mm ，长与宽分别为33cm 和33cm 。
底板上除预设孔洞外，不得另行钻孔。
(5) 制作工具：美工刀、钢尺、砂纸、锉刀、改锥、小型锯子。
另外，承办方还提供公用的砂轮机等。
六、模型现场安装、加载及测试步骤6.1赛前准备(1) 模型称重：将制作好的模型（不含底板、铁块和水箱）称重（精度0.1g ）；(2) 将模型安装在底板上，并将铁块固定在模型上，然后：① 核查每层铁块的数目及覆盖面积是否与所提交方案吻合，计算每层承受的附加铁块质量W i ；统计水箱中的注水质量(W W )；② 进行高度测量，测出每一层所放置铁块的最底面至模型底板的垂直高度h i ；测出模型实际总高度H ；以上高度计量单位均为cm ；③ 根据式(1)计算模型等效负载重量W e ： =()100+∑i e i w h H W W W H (1) (3) 得到入场指令后，迅速将模型及底板运进场内，安装在振动台上，紧固螺栓，固定水箱，准备进行加载。
赛场内安装时间不得超过10分钟。
(4) 以上过程由各队自行完成，赛会人员负责监督、标定测量仪器和记录。
如在此过程中出现模型损坏，则视为丧失比赛资格。
6.2加载及测试步骤(1) 参赛队代表进行2分钟陈述，之后评委提问2分钟。
(2) 依次进行三级加载，每级加载完成后依据4.4的失效评判准则评价模型是否失效。
七、评分标准7.1总分构成结构评分按总分100分计算，其中包括：(1) 计算书及设计图10% （共10分）(2) 结构选型与制作质量10% （共10分）(3) 现场表现5% （共5 分）(4) 加载表现评分75% （共75分）7.2评分细则A. 计算书及设计图(1) 计算内容的完整性(共6分)(2) 图文表达的清晰性、规范性(共4分)注：计算书要求包含：结构选型、结构建模及主要计算参数、受荷分析、节点构造、模型加工图（含材料表）、铁块分布详图、水箱注水重量。
B. 结构选型与制作质量(1) 结构合理性与创新性(共6分)(2) 模型制作美观性(共4分)C. 现场表现(1) 现场陈述(共3分)(2) 现场答辩(共2分)D. 加载表现评分本次比赛各组模型在加载环节的表现将根据其效率比E i的计算结果进行评分。
效率比E i的计算如式(2)所示：i =100eMI WEM(2) 其中各项指标的意义与计算如下：W e为所有各层铁块的总重量(W i)和水箱注水重量(W W)，并考虑高度的加权系数后计算得到的等效负载重量，如式(1)所示；M M为模型(不含底板和螺栓)质量。
I为该级加载完成后通过振动台加速度传感器实测的台面振动加速度峰值。
设E max为所有模型中的最高效率比，各模型根据其效率比结果获得的加载表现分K的计算公式如式(3)：i max K=75E E (3) 以上A-D 各项得分相加，分数最高者优胜。