1、附件一：封面XXX 动力结构模型设计与制作方案设计二零一一年五月摘 要我们设计的高层抗震主体结构为传统的空间桁架式塔形结构，上小下大，整体造型简洁美观，受力均匀合理。遵循的是抗震的概念设计，三个基本原则：强柱弱梁、强剪弱弯、节点更强。从下到上逐渐收缩的塔形的构造在现实的建筑中比较常见，特别是在抗震和高层建筑中更常见，存在必有道理，塔形的构造可以在不减小自身刚度的同时可以减少上部结构的自重，不仅在承受竖向力方面具有较好的优势，抵抗地震产生水平作用力时，能起到一定的支撑作用，分散一部分水平荷载，由于自重本身较轻，所以在抗震方面就更好，因为结构的抗震性能是跟结构本身的重量有关的，结构越重，抗震性能越
2、差，所以本结构能尽可能地避免结构遭到动力荷载的破坏。同时为了减小加载时模型底部所受到的冲击，该结构层高分别设计为 200mm，200mm，200mm，600mm。这样既可以做到降低整个结构的重心位置，使模型在受到水平惯性力作用时，减小底部所产生的弯矩；又可以保证顶层不会因为层高过高而造成失稳破坏。整个模型均为为空间桁架结构，刚度较大，可以减小模型的侧向位移值，可以保证下面三层在受到水平动荷载时不遭到破坏，但是过大的刚度会对结构的抗震带来不利的影响，考虑到这个，我们的桁架斜撑与斜撑之间均不设连接，让其自由活动，各自承担压力和拉力作用。这个结构的斜撑我们采用截面为 26 的杆件支座，除用来支持整体
3、结构的竖向受力以外，还用以抵抗加载时所受到的水平动力作用。做交叉斜撑，保证了结构具有较好的稳定性，同时也可以利用杆件柔度较大的特点，在受到水平动力作用时，依靠杆件的形变和震动，吸收一部分能量，尽最大可能减少惯性力对模型产生的瞬间冲击。强柱弱梁的体现：柱子我们采用的是 66 的最粗的杆件制作，柱间支撑是为了减小柱子的长细比，以达到柱子更强的优势，而相对的是梁我们采用的是 26 的杆件，相对而言比柱子较弱，但是也足以承担其竖向及水平荷载。强剪弱弯的体现：制作考虑的是所有杆件的抗剪破坏在抗弯破坏之后才出现。节点更强的体现：节点处增加黏贴板，使所有节点都刚性连接，增加节点刚度。设计说明书1 方案1.1
4、 结构选型该高层结构实物图见图 1-1。本模型根据结构力学知识采用三角单元组合成的超静定结构。考虑到比赛中在随机一侧加水平动力荷载，在固定点均加15N 重的砝码，我们对柱截面采用由四根柱加斜撑体系以承受荷载。采用截面为 26mm 的斜撑，节省材料并提供足够的抗弯刚度。整体结构布置简洁，受力合理。1.2 结构尺寸图结构模型正面尺寸详见图 1-2，本模型为对称结构，其他几个面尺寸相同。图 1-1 实物图图 1-2 结构尺寸图（单位： mm）2 计算书2.1 计算方法本计算模型采用通用有限元建筑结构分析和设计程序 MIDAS/GEN 进行分析计算和数据整理。2.2 计算假定（1）柱下采用高强胶水粘牢
5、，因此支座可以简化成固接；（2）梁、柱和撑的连接节点，也采用了较好的加强粘结措施，所以可视为刚接（从刚域效果而言，即使有少量转动，考虑成刚接也是偏安全的，应力会偏大） ；（3）本结构同时承受水平和竖向荷载的作用，故计算时梁柱和支撑均采用MIDAS/GEN 中的空间一般梁单元；（4）整体模型按程序中的梁单元荷载（集中类型）直接施加。底部的动荷载用底部剪力转换成各楼层的节点荷载。2.3 材料力学性能模型制作材料为 502 胶水和木材（尺寸：长度 1000mm，截面有50mm1mm、 2mm2mm、2mm6mm、6mm6mm ；性能参考值：顺纹弹性模量 1.0104MPa，顺纹抗拉强度 30Mpa）
6、 ；固定模型的底板为 400mm400mm 木工板。2.4 各种静载工况下结构的强度和刚度计算每个楼层作用 15N 的竖向荷载，总共 4 个楼层。底部作用 50100N 的动荷载作用，第一次取 50N，第二次取 80N，第三次取 100N。假定这三次加载分别为工况 1，工况 2 和工况 3，具体含义如下：工况 150N 动荷载+60N 竖向荷载工况 280N 动荷载+60N 竖向荷载工况 3100N 动荷载+60N 竖向荷载2.4.2 结构强度计算用 MIDAS/GEN 计算出各工况作用下结构各杆件的应力，取组合应力（轴力和弯矩共同作用） 。a 工况 1：50N 动荷载+60N 竖向荷载由软件
7、得出结构的最大拉应力为 87.30N/mm，最大压应力为 87.30N/ mm ，均小于木材的极限应力，故安全。2b 工况 2：80N 动荷载+60N 竖向荷载得出结构的最大拉应力为 139.68N/mm2，最大压应力为 140.06N/ mm2，均小于木材的极限应力，故安全。c 工况 3：100N 动荷载+60N 竖向荷载结构的最大拉应力为 174.60N/mm2，最大压应力为 175.07N/mm2，均小于木材的极限应力，故安全。2） 杆件内力由于在竖向荷载和水平荷载作用下，结构各杆件的内力均为轴力起控制作用，弯矩值仅作参考，故下表中只列出各杆件的轴力。表 2-1 各荷载工况下杆件编号图中
8、各杆件的轴力（N ）单元 工况 1 工况 2 工况 31 11.84 20.9 26.952 -18.38 -27.44 -33.493 19.25 32.77 41.784 -25.8 -39.31 -48.325 19.25 32.76 41.786 -25.8 -39.32 -48.337 11.78 20.82 26.848 -18.44 -27.53 -33.69 93.09 158.07 201.3910 -123.54 -188.53 -231.8611 93.13 158.14 201.4812 -123.49 -188.46 -231.7713 -18.3 -27.32 -3
9、3.3314 11.71 20.7 26.6915 19.23 32.74 41.7516 -25.79 -39.3 -48.317 19.24 32.75 41.7618 -25.79 -39.29 -48.2919 -18.31 -27.33 -33.3420 11.7 20.69 26.6921 0.4 0.38 0.3722 -7.46 -12.19 -15.3524 8.32 13.05 16.2125 0.16 0.01 -0.126 12.93 21.98 28.0127 -17.66 -26.96 -33.1528 15.77 26.52 33.6929 -20.08 -30.
10、83 -3830 15.78 26.54 33.7131 -20.07 -30.81 -37.9732 13.22 22.44 28.5933 -17.37 -26.49 -32.5834 77.03 129.11 163.8335 -96.23 -148.1 -182.6836 76.76 128.68 163.337 -96.49 -148.52 -183.238 -17.15 -26.14 -32.1439 12.72 21.65 27.6140 15.79 26.56 33.7441 -20.05 -30.78 -37.9442 15.75 26.49 33.6643 -20.09 -
11、30.85 -38.0244 -17.17 -26.17 -32.1745 12.71 21.63 27.5846 -0.84 -1.51 -1.9547 -6.05 -9.85 -12.3849 6.58 10.37 12.950 0.74 1.02 1.2151 14.55 24.02 30.3352 -15.8 -24.55 -30.3753 13.24 21.92 27.754 -15.63 -24.27 -30.0355 13.2 21.86 27.6356 -15.67 -24.34 -30.1157 13.14 21.77 27.5258 -17.21 -26.8 -33.195
12、9 58.28 96.4 121.8160 -69.98 -108.82 -134.7261 59.62 98.55 124.4962 -68.64 -106.67 -132.0363 -18.63 -29.07 -36.0264 15.34 25.29 31.9265 13.09 21.68 27.4166 -15.77 -24.5 -30.3167 13.34 22.08 27.9168 -15.52 -24.1 -29.8269 -18.01 -28.07 -34.7870 15.97 26.29 33.1771 3.23 5.12 6.3772 -2.89 -4.67 -5.8674
13、3.06 4.85 6.0475 -4.11 -6.63 -8.3176 56.55 91.92 115.577 -61.92 -97.63 -121.4378 57.11 92.82 116.6279 -61.35 -96.72 -120.380 56.69 92.14 115.7881 -41.1 -65.75 -82.1982 -21.9 -33.61 -41.4183 -0.1 -0.16 -0.284 0.09 0.14 0.1885 17.12 28.82 36.6286 41.08 65.73 82.1687 -61.47 -96.92 -120.5588 17.3 29.13
14、37.0189 -21.77 -33.39 -41.1490 16.97 28.59 36.3491 -22.11 -33.93 -41.8192 0.81 1.3 1.6393 0.09 0.16 0.295 -0.12 -0.19 -0.2396 -3.73 -5.95 -7.44由表 2-1 可以看出，结构具有以下受力特点：（1）除了作用集中荷载的梁单元和部分柱支撑外，桁架梁的腹杆和柱撑受力都较小；（2）由于极限拉应力较易满足，因此对受压较大的直柱和桁架梁下弦有必要予以一定的加强。3） 结构刚度计算由本结构是以水平位移起主要控制作用， 表 2-2 各荷载工况下结构最大水平位移和竖向位移（
15、mm）荷载工况最大位移 节点编号工况 1 工况 2 工况 3D 水平 39 23 37 46.3由表 2-2 看出，竖向荷载对水平位移的影响非常小。结构在满载工况 3 下水平荷载最大位移为 46.3mm。位移均没有超过 50mm 的位移限制，从变形图可以看出结构以整体受力变形为主，结构刚度分布基本合理，位移较易控制。4）结构稳定计算结构主要受压杆件为受压侧主柱和主梁，主柱截面在最底部受压最大，主梁截面在最靠近主塔部分受压最大，因此需要对主柱底部和主梁靠近主塔部分杆件进行稳定计算。木质杆临界柔度： =3.14x =46.0pE1430杆实际柔度：5=L =0.5x200 =40.5IA8.240739 =L =0.5x25026 12 值小于临界柔度，所以结构不会失稳。从以上计算分析可知，该结构在满载情况下强度、稳定性满足要求，位移可控制在允许范围内。
