结构设计报告

1.概况
从模型制作用材料的抗拉、抗压、抗剪等各种特性出发，在保证模型承载力和抗震能力的前提下，综合考虑模型自重、经济美观、创新实用等各项因素，经过反复试验与理论计算精心设计制作出名为“摇晃斜塔”的结构模型，模型主体为框架型结构。

2．结构体系
在结构体系选择方面，采用正方形截面的框架结构，结构外形尺寸为175mm×175mm×900mm.
2.1节点处理
在节点处理方面，巧妙利用格挡的特点，充分利用竹皮横纹竖纹相交承力性能大大提高的特点，同时增大了柱之间的摩擦力，亦在胶粘破环后起再次加固作用。

如图所示1
图1
此外，柱子是圆形，内为空心，自重小，且承受荷载或地震波时，空心的圆柱可释放一定压力，与大地相连，大大减轻了构件本来所承受的力。

当然，在制作过程中，用为材料是竹皮，所以这样会造成下部偏轻，，且制作不易，所以，采用的实心可增大下部的承重荷载。

2.2制作处理
在制作处理方面，使模型整体呈现下大上小的形状，增大荷载承受能力和抗弯，压能力，但由于误差的存在，可能表现的不是那么明显。

且受到工业上常用的“L”型钢的启发，我们圆形柱粘结成“L”形，以增大其抗弯抗剪能力。

3.结构选型
3.1方案构思
考虑到模型应同时承受竖向荷载和水平动载，模型应具备较强的刚度与抗剪能力，故整体采用框架结构。

由于在地震荷载作用下，模型所受剪力较大且整体的弯矩由下至上逐渐减小，故四根主柱间下部采用两根原型柱支撑，起到加固底部的作用。

且而在地震作用下，模型上部会产生较大破坏性位移，故上部增加支撑杆起固定作用，以减小顶部位移，然后整体添加斜拉条，再次固定，双层保证。

考虑到竖向荷载方面，在保证竖向承载力以及整体性刚度的前提下最大化减轻自重、节约材料，模型应根据铁块质量分布考虑采用在有效承载面积方面，使用长条竹皮拉片的楼板构造，简单大方，进一步充分利用所选材料良好的抗拉性能。

综上所述，总的设计原则是：在保障整体模型有足够能力承载三级加载的前提下，尽量减轻自重、节约用料，充分利用材料各方面的特性。

3.2实施方案
方形底面圆柱斜拉条方案，实际建筑模型如图2
图2
4.参赛模型材料表
模型柱、梁及撑杆尺寸与数量统计表见表2
标号形状尺寸/mm 长度/mm 数量材料规格表580+320 2
D=11 540+360 2
柱子
D=9 180 4
主梁D=8.5 4
D=9（上）180 4
支撑杆D=9 （下）220 2
20X565（前后） 2
斜拉条20X520 2
20X367（前后） 2
20X402（左右） 2
6.模型内力计算及截面验算
根据本次比赛的加载规则，荷载有竖向载荷及水平动载，对其进行受力分析。

分析时将竖向静载和水平动载简化为均布荷载，通过计算从理论上明确模型在荷载作用下的安全性。

6.1竖向荷载作用下的内力图
计算梁上竖向荷载时，可考虑按集中荷载，利用结构力学求解器计算得其内力图，如图3所示
图3
Q图
N图
M图
6.2竖向荷载作用下的位移图（利用结构力学求解器），如图4
图4
位移内力图
7.模型特点
7.1结构特色
在结构体系选择方面，采用正方形截面的框架结构，结构外形尺寸为180mm×180mm×900mm，同时具有几方面的创新特点：
（1）“L”型圆柱构造
在柱的选型上，我们采用“L”型，每个结构柱由截面积、长度不同的空心圆柱通过502胶结构成，单根柱子截面如图5所示
图5
（2）M型‘预应力’斜拉片
整体添加斜拉片，充分利用上竹皮抗拉能力强的特点用以减小顶部位移，防止出现在地震烈度大的情况下顶部发生撕裂破坏；并且在结构承受一定竖向荷载时进行斜拉片的粘结，产生一定卸载后的预应力。

并且有一定美观作用。

（3）圆杆支撑柱
下部和上部采取两种不同的支撑形式，但材料均用圆杆状，有明显加固作用，且上部外围斜拉条，起再次加固的作用。

加强了整体的稳定性。

7.2巧妙的节点处理
利用格挡的特和竹皮横纹竖纹相交承力性能大大提高的特点，同时增大了柱之间的摩擦力，亦在胶粘破环后起再次加固作用。

7.3合理的模型底板连接
在模型与地板的连接处，又一次体现出变圆形与大地完美结合的优点，同时我们加以三角形固定，进一步增大模型与底板的接触面积，确保模型与底板的整体性与稳定性。

8.模型介绍
8.1几何模型
本模型的局部略作简化处理。

模型梁截面为圆型截面，底部是180X180mm的矩形，前后两面下部柱为580mm的圆柱杆，斜拉条为565mm。

左右下部为540mm的圆柱杆，斜拉条为两根支撑杆为220mm的圆柱杆。

前后上部杆为320mm，斜拉条367mm.。

左右为360mm,斜拉条为402mm。

上顶为175X175mm的矩形，且梁均为圆杆。

8.2边界条件
大赛模型通过螺栓和固定于振动台上，模型柱与竹质底板通过502胶水可靠连接，因此在有限元模型中将模型底部边界条件设定为固结，即约束所有位移和转动自由度。

8.3加载方式
按照比赛规则，将大赛组委会提供的三级加载地震动依次输入，进行时程分析，考察结构顶部的加速度位移反应。

由于本次参赛模型双轴对称，因此在时程分析时只在结构模型的一个主轴方向输入地震动记录。