第五届全国大学生结构设计竞赛参赛计算书.docx

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1、第五届全国大学生结构设计竞赛关京航左航天大学带屋顶水箱的竹制多层房屋结构计算书作品名：玲珑塔目录一、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班码传递的静荷我，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通向地震动荷我作用，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教，再次结构必须具有良好的振动特性，从而防止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

2、，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到达最优化。我们主要从结构的刚度、稔定性、振动特性：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掾，因此我们会寻求一种保证结构质量的前提下，比拟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，防止结构出现“头Ig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，因此结构应该具有乩好的对称性，除此之外，我们设想通过降低结构亚量，增加结构刚度来提高结构的固有频率，从而降低

3、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，各立面支掾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根底上尽量减小结构重量，我们通过以下几个方案进行比照分析，得出最优方案：侧面常规方案(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枳利用充分(22cm*22cm),每个大侧立面整体加两个对角线支撑，做成个长方形刚架。经过模拟计算我们发现，在模拟的较大横向荷载条件下(100N),结构最大X位

4、移点位移约为85mm,图1-1即为结构侧面位移云图，这根本符合最大位移要求，但是采用这样的构型柱底部会承受较大弯矩，并且结构由心偏高，添加水箱和硅码后，会使结构更加“头重脚轻”，稳定性降低。图1-1倜面方案(图1-2)我们号虑区别于的另种构型：考虑在每层恻面均添加对角级支撵,这样便可以使整体刚度进一步提高，由图1-2中ANSYSOCTX4NII0Mt*的整体位移云图可以看出,整体最大X位移降至6.03mm。但是这样会使节点增加.降低结构整体性，增加潜在的破坏风险并且，这样做每个侧面杆件总长会增加约44.1cm.质量增加约7.7%,同时，这种构型也会使砧码添加和底层门洞的制作变得困难，而且，该方

5、法也没有使重心有效地降低。msa-1x三:w(mMY4M74.Xt3-.00*53图1-2（W面方案（图1.3）（最终方案）我们在的根底上综合考虑，并进行改良：改良的目标主要是在保证承载力和刚度的前提下，尽量减轻全量，增加结构稳定性。于是，我们考虑仿照金字塔的结构类型，使每层的正方形楼面边角点比卜一楼层坐标减少0.5cm,每层边长减少Iem,将结构整体做成对称正四棱台型，其侧面投影为梯形，并且彷照型设置面内的整体对角线支撵“这样经过模拟计算X最大位移比略有降低（8.4mm）,并且梯形构型使田：心降低，由于随高度楼层尺寸逐渐减少，这种构型较之出量也有所降低。并且，经过几次定性试验，也证明了这种构

6、型的优点，所以我们最终选定了此种侧面方案，整体方案（图1-4选定了恻面刚架构型后，结构每层楼板的支探梁的结构方式以及楼板的选型也是我们考虑的重点。如前文所述，确定结构整体做成正四楼台后，各层楼板的支撑方式就有如图1-4所示的常规方案，即每忆楼板靠四边的一圈支撑梁支件，这样形成的结构整体受力骨架就如图1-4所示。这种方案制作最为顺手，并且在倜面方案确定后，这是最省重量的方案，并且，我们对其进行了简单地静力模拟分析和模态振动分析，静载荷仍取X方向100N,其中图14是结构整体位移云图，图1-5是求得的结构一阶振型，表1-1是求得的结构的固有频率等参数。图1-4图1.5表1-1振动阶数123456固

7、有频率(Hz)34.29134.29138.87468.26668.26682.315由图1-5可知,在同样的水平荷载作用卜,结构整体受力骨架的最大X位移为3.208mm,赛题要求的地震波为单向振动,因此只需要考虑结构的节固仃频率.采用上面的整体方案，其节固有频率为34.291Hz,与三级加载的采样频率（200Hz、250Hz、300Hz）有较大差异,因此不会发生共振。整体方案（图1-6）（图1-7为结构一阶振型）在的根底上，可以在每层添加对角线斜向支撑梁以提高各层楼板的桎定性和承载力,但是比照发现，由于这种方案增大了结构质量，从而降低/结构的固有频率（表12）,由阻尼公式可知降低领率公降低结

8、构阻尼，因此结构抗震性也会受到影响，再结合图1-6.也即结构X方向位移云图，可知此种方案同样的加载情况FX方向显大位移为3.198mm,结构水平刚度并未有实质性增强，综合比照F.方案更占优势，因此我们采用了方案。图1-6表1-1振动阶数123456频率（Hz）31.08231.08236.77661.73961.73977.973图17楼板方案（图1-8）考虑到承载水箱和祛码并#需要全部的楼面面积，加之模型加工也需要节省材料以便减轻重豆，因此，我们考虑在正方形实心板的根底上进行下改良,去掉多余材料，将每层楼板（楼顶除外）做成I可字型，每层进深约6.5cm,楼板厚约1.5mm,这样将各层的硅码对

9、称他置于回字形板四边，从力的传递方式（力流线）存，这样可以使荷栽尽早地传递到梁柱主要受力构件，并通过承重柱尽早卜地，从而缩短力流传递路径，因此结构整体性能也会提升。图1.8是回字型楼板效果图。AMSYS图1-8二、结构建模及计算K计算模型（图2-1图2-3）图21侧面效果图22结构骨架整体效果图2311结构添加楼板后整体效果1!图2-312)加楼板后整体效果(2)2、 杆件编号为了便于使用ANSYS有限元软件对结构进行计算分析，我们对各个杆件进行了编号。其整体编号效果图和侧面编号效果图分别如图2-4、图2-5所示。由于构件数量不少，我们为了便于和编号图上对号入座，我们对杆件的编号也遵循了定的规

10、律,概括地说就是.自下而上,先横后里，每M逆时针编号，最后编号fW面对角线支撑.，图24整体端号图图2-4嫔号仰视图3、 结构计算假定和各个单元物理参数1）结构计算假定：A.本结构属于空间刚架结构，受到竖向静我和水平地震荷载作用，主要骨架可以采用空间梁单元BEAMI88.各以楼板为实心平板，采用平面SHE1.I63单元.B、柱下部与条形根底相连，采用加强措施，视为刚接。C、楼房的一整个侧面框架为一次性整体做成，而非将梁杆构件单个做出后再拼装，且梁柱连接节.点也被加强，因此也视为刚接。D、计算竖向静荷教时等效为作用在梁上的均布荷数，由丁采用J梭台结构与回字形楼板，所以放置铁块和水箱时可以充分利用

11、楼板的面积，因此添加楼板后的静力计算假定各楼板承受平面均布荷载。E、在进行地震谱分析时，采用大赛组委会文件中给定的采样频率，最大、最小加速度输入地震谱。（2）构建截面尺寸A、主承理柱：截面5mm*4mm.斜撑：截面S*3mm:B、承H1.梁：板面4mm/3mmC,楼板及屋顶板：屋顶为18cm18n正方形实心板，厚15mm：其余三层楼板均为回字形板，J91.5mm.进深6.5cm.自上而上边长分别为21cm、20cm.19cm.（3）材料力学性能竹材的实心密度会随着竹子种类以及加工方式而变化，并且在制作模型时参加的502股也会影响竹材密度，在查阅f竹材密度的各种参考值后，我们决定取1500Kgm

12、A3组委会给定的制作竹材抗拉强度为60MPa,但是参加502胶水后材料的强度会增加，但是为了计算时留有一定的平安系数，因此材料强度仍然取60MPa,科I性模量取100ooMpa,4、结构计算筒图结构静力计算时，假定顶层水箱全量，每层铁块全量通过楼板传递给支撑梁，并且均匀地分布于各层支探梁上，设定顶层注水3kg,各层铁块简要分布情况如卜.表1-3：表1.3层序23I4铁块样式8小16小12小铁块质量5.4Kg10.8Kg8.1Kg这样，模型的总仃效承我面枳计算值为：363.26=691.2cm3符合大赛要求的600至720平方厘米的有效承载面积的要求，总历量为24.3Kg,也符合大赛要求的不超过

13、30Kg的要求，如图3-1为结构承受静荷载简图。各层梁承受的均布荷载集度计算：顶层：q=I1.8=4O.83,w：0.18x4四层:12x0.675x9.8O.I94=104.40Vw:160.6759.0.2x4一=I323NMn二层:0.6759.80.21.4=63rm：添加楼板后作用在各U楼板上的面荷载（压强）计算:屋顶：P1.=39.8O.18O.I8=907.41Pa：四层楼板:Pz=120.6759.80.19x0.19-0.06x0.06=244246Pa:三层楼板:=3OI5.38P:16x0.675x9.80.20.2-0.070.07二层楼板:8O.6759.80.20.

14、21-0.080.08=1403.71P5、结构强度刚度计算(1)应力云图用ANSYS有限元计兑:软件计算在嗓向静荷载作用下结构各节点的位移值，结构各主要构件所承受的轴力以及两个垂直方向的弯矩，并作出等效相对位移场云图以及VonMises应力云图如下(图3-3至图3)囱3-3等效相对位移云图oW311NSYS0024”gnuSoWnST1.P-ISaB-iTM1MKiAV5)Rsrs-o-.oosi33a-.00X213图35相对位移场仰面图36VonMises应力云图快I面节点位移值列表（表3-1,节点自下而上，每层按逆时针方向编号）表31节点位移表（单位:亳米）NODE（节点）Ux（x方向）Uy（y方向）Uz（Z方向）和位移1000020000300004000050.000110740.0070S720.468340.4684060.0110740.0070S720.468340.468407-0.011073-0.095929