第六届河北工程大学结构设计大赛计算书

2012年第六届河北工程大学结构设计大赛计算书作品名称：缘梦阁学院：土木学院班级：土木09-09小组：09-01组员名单：刘青山、吴洪安时盼盼、、李青力、冯千溥、常雷-2-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……………………………………………………（5）1、设计基本假定…………………………………………………（5）2、模型结构图…………………………………………………（6）3、材料用量………………………………………………………（8）三、结构设计计算…………………………………………………（8）1、梁刚度计算…………………………………………………（9）2、柱侧移刚度…………………………………………………（9）3、自振周期计算……………………………………………（9）5、变形验算…………………………………………………（10）6、地震作用下框架的内力分析………………………………（10）7、竖向荷载作用下框架内力计算……………………………（13）四、参考文献…………………………………………………（14）-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，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，采用比赛提供的木质材料，乳胶精心设计制作了结构模型，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铁块引起的附加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。并且构造需要满足设计大赛的一些规定。楼层净高不小于10cm，底层净高不小于15cm，单层面积不小于200cm2,模型总楼板面积在1000至1800平方厘米的范围内。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，达到轻质高强的目的。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震动荷载，考虑到模型应具备的稳定性及新颖性，我们选择了矩形截面的梯形框架，框架两面为梯形，两面矩形，并在矩形面设有柱间支撑，提高模型的水平抗剪力，从而抵抗动荷载的作用，并且利用十字型梁与柱子的刚性连接形成框架，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缘梦阁具有以下五个创意点：创意点一本方案四个立面，两个为梯形，两个为矩形，矩形面加设支撑。这样与四面均为梯形的相比施工较简单，与四个立面为矩形的相比，稳定性较好。平面为矩形，从顶部到底部，面积依次增大，抗震性能和稳定较好。矩形面加X形斜撑，提高抗震强度。-4-创意点二水平面内设计十字形梁，主梁竖直搁置，次梁水平搁置，一方面加大与铁块的接触面积；另一方面，使受力更均匀。在主梁上，考虑材料有较高的抗拉性能，结合材料的力学性能，缘梦阁的主梁设计为十字型梁，增强梁的抗弯性和承载能力。创意点三柱、主梁、次梁之间连接用凹槽卡住，并且用乳胶粘结，双重保证，保证了主梁和次梁、主梁和柱在同一个平面上。考虑到乳胶的粘结力不够大，我们在满足强度要求的前提下，在梁上做有凹槽，将主次梁卡实，保证了主次梁在同一个平面上，从而使力更好的传递。创意点四柱子间留有缝隙，中间可插入梁。既增加了截面面积，又提高了惯性矩，增大的粘结面，从而提高了稳定性，同时减轻柱自重，提高承载力。创意点五矩形面中梁、柱、支撑连接的节点板采用仿钢节点板形式。在节点处采用立体五边形节点板将支撑与梁、柱粘结，既美化了外形，又保证此粘结端成为刚性节点。创意点五梯形面主梁下设有三角形楔块。创意点五底层设有水平支撑，既给固定底板提供了工作空间，也增强了底部结构刚度和整体性。依据以上创意点加上精细的制作环节，我们制作出的结构质量轻，强度高，柔度大，节省材料，承载空间大，经济美观，达到了物尽其用之美的效果。3、结构特色这个名为缘梦阁的结构是在我们制作结构对结构进行反复讨论实验后而出来的结构，它凝聚了所有队员的智慧。它的优点：-5-（1）本方案从结构的外形上看，不同的角度看有不同的形式。我们选择梯形为主形状，稳定性、抗震性好；两侧加设支撑，加载方便。（2）针对结构的受力特点和位移情况，选择矩形空心柱，并且在柱内增加了斜撑小三角形，成为我们结构一大特色。（3）梁与柱之间相交时，梁伸入柱凹槽粘结，并用节点板加固，这大大提高了梁的稳定性和强度。（4）结构将材料截成宽6mm、10mm、15mm的木条，方便了制作不同的构件，符合强柱弱梁的原则，经济实用。二、设计方案1、设计基本假定（1）木条材质连续均匀。（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次梁上，然后传递与主梁，柱子（假设为轴心受压）。（3）杆件计算时采用多层框架结构抗震计算模式。2、模型结构图分析内力和位移，简化各个杆件尺寸和形状。-6-左视图前视图俯视图-7-模型实物图3、材料用量结构称重1.03千克（算底座），实际材料用量11.74米，而给定材料为25米，为此大赛中用料最省模型。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。-8-加荷载情况注：铁块质量均匀分布在每层上，每层面荷载为10g/2cm=0.1N/2cm查表得，木条E=9000N/2MM验算梯形面的不利荷载，其简图如下：层数面积（2cm）荷载量（N）4254.1625.43287.4628.72320.7632.11353.8835.4-9-1、梁刚度计算：I0=Ib=1.5I0Kb=EIb/l层数b*h(2cm)L(mm)I0(4mm)Ib(4mm)Kb(N*mm)43.5*20141.2230034502.2*1033.5*20159.7230034501.94*1023.5*20178.2230034501.74*1013.5*20196.6230034501.58*102、柱侧移刚度计算：线刚度(底层)（一般层）3、自振周期计算：TT7.11,T为顶点位移，单位m,按D值法计算，见表：横向框架顶点位移计算层数NGiiGDimmDGiii1mmi425.425.4120.830.212.34328.754.1113.280.482.13232.186.2105.730.821.65135.4121.6146.00.830.83sTT082.010*34.2*7.17.131层数b*h层高hICKCKαDiD47*1515019701.18*101.860.4830.21120.8337*1515019701.18*100.640.4528.32113.2827*1515019701.18*101.470.4226.43105.7317*1518019700.98*101.610.5836.5146.03121bhmmNhEIKCC*CbKKkKK2αKK25.0α2h12CKDα-10-4、横向水平地震作用计算地震作用按8度设计，基本地震加速度值a=0.2g,Tg=0.3s,采用底部剪力法计算，由于T1=0.082s1.47Tg=0.42s,所以不考虑顶点附加地震作用。14.536.121*85.0*16.0*)082.03.0(85.0**)(9.01max9.01niigEKGTTFEKniiiiiiFHGHGF1计算结果如下表：各层地震作用及地震剪力层数)(mmHiiiHGiiiiHGHG)(NFi)(NVi4630160020.34218.1818.183480137760.29515.6833.862330105930.22712.0645.92118063720.1367.2353.1546743iiHG5、变形验算层数层间刚度iD层间剪力NVi层高mmhi层间相对弹性转角4120.8318.180.15051501/9973113.2833.860.29891501/6522105.7345.920.43431501/556114653.150.3641801/694550/1ee满足要求6、地震作用下框架的内力分析（1）横向框架柱弯矩计算16.0maxiiiiDV1-11-A表中:3210yyyyy同时反弯点高度修正值下层高度与本层高度不同时反弯点高度修正值上层高度与本层高度不的修正同时对某层上，下梁线刚度不标准反弯点高度比32010yyyyy589.0y1,n4,m5.0y2,n4,m45.0y1.64,k3,n3,m443.0y,86.1,4,4:1)y00000knm0y6.52.12:y40y6.5,83.01:y30y36.59.029.0388.02.294.14:y)233322211，，查表层），查表层）均为层的，得查抗震课本表层，层，层首层不考虑。hhiimiPPVVB/.immmNhyVMhyVCiiimiiim，单位）（上下1;M.结果如下表层数ihiViDimDimVky上M下M415018.18120.8330.214.5451.860.443379.73302.02315033.86113.2828.328.4651.640.45698.36571.39215045.92105.7326.4311.481.470.5861861.0118053.15146.036.513.291.610.589983.191409.0-12--13-7、竖向荷载作用下框架内力分析由于结构基本对称，在竖向荷载作用下的框架侧移可以忽略，在竖向荷载作用梁端可考虑塑性内力重分布。采用力矩分配法可得弯矩图：由图可以看出：最不利截面位于首层（抗弯性能）按地震内力组合计算：柱：柱顶（1层）M=1.2*106.41+1.3*983.19=1405.84mmN柱底M=1.2*53.21+1.3*1409=1895.55mmN柱按抗弯承载力验算：22xmax/11/88.65.196917*05.155.1895MmmNfmmNmx-14-梁（1层）支座AM=1.2*212.82*1.3*983.19=1533.53支座BM=1.2*212.82*1.3*983.19=1533.53跨中M=1.2*222.01=266.41mmN梁抗弯承载力验算2xmax/23.410/3450*05.153.1533MmmNx四、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、抗震结构设计（第3版），王社良，武汉理工大学出版社