1、 注：本次比赛材料为三种不同厚度的竹子薄片，四层结构。 2011 年第五届全国大学生结构设计大赛计算书作品名称：简约之美 指导老师：xxx 参赛队员：xxxxxxxxx - 2 -理论分析计算书目录一、设计说明 （3）1、方案构思 （3）2、结构选型 （3）3、结构特色 （5）二、设计方案 （6）1、设计基本假定（6）2、模型结构图 （6）3、主要构件材料表（8）三、结构设计计算 （8）1、静力分析 （9）2、地震作用分析 （9）3、内力分析 （10）3、计算简图 （10）四、结构分析总结 （11）参考 （12）致谢 （12）- 3 -一、设计说明根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性
2、，抗拉特性，单向简谐动载加载形式和静力加载大小要求等方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的竹质材料，502 胶水粘结剂精心设计制作了“简约之美”结构模型，该模型为四层房屋的梁柱体系结构。1、方案构思模型主要承受竖直荷载和较大的水平动载，竖直荷载较容易满足，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。（1）本结构主要构思是想利用四根柱子的轴力来抵抗荷载的作用和地震作用。（2）设计的总原则是：尽可能的利用细杆来提高柱子的承载力，并利用木材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。 2、结构选型按设计要求，在楼面承受荷载情况下外加较大的水动力荷载，所以必须考虑
3、动荷载的作用；因此，我们选择了整体构造截面为正方形的框架结构，并且利用箱型梁与正方形（由于胶水的缘故，粘贴并不完全刚接，其实处于刚接和铰接之间，刚接作用强一点，所以这里采用刚接）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。在遵守原则的前提下，我们综合考虑各个因素设计的简约之美具有以下五个创意点：- 4 -创意点一 根据地震剪力倒三角的分布规律，在设计时我们在柱子上设置了横向加固竹材圈相当于箍筋的作用，并且根据力流设置了加密区，分布规律：由下到上，由密变疏,如下图 a 所示。创意点二 考虑材料有较高的抗拉性能，结合材料的力学性能，简约之美的主梁设计为箱型梁，增强梁
4、的抗弯性和承载能力。创意点三 次梁采用 T 型梁，T 梁两横一竖正交相接并与主梁连接，T梁腹板承槽型相对形成很大的接触面积使得梁与梁更好的粘结，这样主梁与次梁在同一平面;楼板与梁之间之间粘结，在楼板面上开孔既节省材料又美观，如下图 b 所示。创意点四 施加预应力在结构承受 300KN 左右荷载的基础上,进行斜拉杆的粘结，卸载之后即产生预应力，而且斜拉条承螺旋式相交，可以增加柱子的刚度。如图 c 所示。创意点五 在整个结构与底板的粘结处采用充实竹子的低端以增加粘结面积，并且在低端采用立体三角形粘结底板与柱子，以便保证此粘结端成为刚性节点。如图 d 所示。依据以上创意点加上精细的制作环节，我们制作
5、出的结构质量轻，强度高，节省材料，承载空间大，经济美观，达到了物尽其用之美，真可谓简约之美、 结构外形结构平面为边长 195mm 的正方形，柱高 1005mm，整体为 215*215*1005mm的正四棱柱，梁采用箱型主梁和 T 型次梁的组合结构加强稳定性和抗弯性。、材料截面选择我们用正方形柱承受铁块恒荷载和水平动载，矩形主梁连接正方形的柱- 5 -子，T 型次梁连接主梁。主体承力矩形柱由横截面积 10mm*10空心结构，柱与柱之间由外边6mm*8，内边 4mm*6mm 的箱型梁连接，结构内部由 T 型梁（翼缘 1mm*8mm，腹板 2mm*5mm）与次梁交叉相连，增加了结构的强度和刚度。、节
6、点设计 主体框架结构相交的节点由于杆在加动载和静载时会引起较大的剪力，在连接时用小木片填充密实其梁的结头处横断面，在加载处节点贴上薄竹片来增大接触面积，从而来增大节点强度，从而在结构受力计算时一些节点模拟成刚节点。主梁与次梁之间都通过端点处延伸木条来粘结，使得接触面积增大，从而保证具有良好的刚度和较大的强度。3、结构特色这个名为简约之美的结构是在我们制作结构对结构进行试验的多次循环反复而后的出来的结构，它凝聚了所有的试验所得的经验。它的优点： （1）从结构的外形上看，我们选择正四边形作为主体形状，受力均匀，加载方便，有效利用空间足够大。（2）针对结构的受力特点和位移情况，选择正四边形柱子，并且
7、在柱内增加了斜撑小三角形，成为我们结构一大特色。（3）主梁与次梁杆之间相交时，节点通过端点延伸木条粘结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。（4）结构采用厚度为 0.5mm 的材料，采用整体双螺旋细竹条斜拉加固，经济实用。- 6 -二、设计方案1、设计基本假定（1）竹条材质连续均匀。（2）柱、梁之间的节点按刚节点计算，支座为固定支座。加载时竖直静荷载为均布荷载作用在整个楼板面上，然后传递与次梁，主梁，柱子（假设为轴心受压） 。（3）杆件计算时采用钢结构计算模式。2、模型结构图分析内力和位移，简化各个杆件尺寸和形状。结构实物图- 7 -结构前视图- 8 -结构俯视图3、主要构件材料表主要
8、承重柱，受力横梁，次梁，撑杆尺寸与数量表。三、结构设计计算根据本次比赛的加载规则，荷载有竖向静载荷水平动载，考虑到结构尺寸所能承受荷载的能力，需对本结构进行受力分析，在进行荷载分析时将静标号 形状 尺寸 长度 数量柱子截面 10*10mm 1000mm 4主梁截面外边 5*8mm内边 4*6mm195mm 16次梁截面腹板 2*5mm翼缘 1*8mm195mm 9- 9 -载和动载简化为均布荷载，通过计算来对相对薄弱部分作相应的加固，使得材料得到充分合理的利用。1、静力分析结构顶部加载盛 4L 水的水箱，根据受力特点及结构形式，将荷载简化为均布力，分别同时施加在结构的四根承重柱上。 根据荷载的
9、分布和动荷载的加载，找出结构最大处位移和最大处应力，分析最大处节点强度，刚度和稳定性。柱子的剪力图2、地震作用分析结构层高和层所受力代表值见下图，分析各层地震剪力的标准值。结构总水平地震作用标准为： eqEKGF1各层水平地震作用 和各层地震剪力标准值iF分别用下式计算，ikVFa+FnFiGiGaG1FE1HiH1- 10 -（1- ）nijjiiHGFnEKFnniiKV（1- ） +nijjiiHGnEKFn由上述可以看出，结构底部总的地震剪力确定之后其结构高度大致按倒三角形的规律分布。H 越小 F 就变化的越快，所以结构的层高 H 和 F 的变化必须平衡，为了使结构的重心保持一定的高度
10、，则设计各层净高(由下向上依次)265mm,245mm,245mm,235mm。3、内力分析4、计算简图- 11 -梁的计算剪力图单层框架竖向荷载作用下的变形图和弯矩图四、结构分析总结1、本结构主要是利用四根柱子的轴力来抵抗荷载的作用2、本结构利用细杆来提高柱子的承载力，并利用木材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。3、根据分析的结论，我们选择正四边形作为主体形状，受力均匀，加载方便。- 12 -4、根据梁的受静荷载和动荷载，我们改造出变形柱，加固柱子成为我们结构一大特色。5、主梁与次梁、柱与撑杆之间相交时，节点通过端点延伸木条粘结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。6、结构采用厚度为 0.5mm 的竹子材料，采用整体螺线相扣细杆加固，经济实用。- 13 -参考文献1、材料力学(第四版),孙训方,2005,高等教育出版社 2、结构力学(上，第三版），包世华，2007，武汉理工大学出版社3、土木工程荷载与设计方法，张学文，罗旗帜，华南理工大学出版社致谢
