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±10mm。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±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：

编号竹材规格款式

单张重量

(g)

1

1250×430×

0.35mm 本色侧压双层复压竹

皮

186

2 1250×430×本色侧压单层复压竹108

0.20mm 皮

竹材力学性能参考值：弹性模量1.0×104MPa，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。

标号形状尺寸长度数量柱子截面10*10mm 745mm 4 主梁截面8*6mm 196mm 12 支撑杆1 3*3mm 268.6mm

4 支撑杆2 3*3mm 5.7mm

8

拉带厚度0.75

宽度3mm 277mm

4

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采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，