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1、前言据统计，全球每年平均发生800多万次左右的泥石流和山体滑坡。如果泥石流发生在人类居住区，就可能造成严重的泥石流灾害。重庆是泥石流、山体滑坡等地质灾害较为严重的地区之一，这些自然灾害是大自然向工程人员提出的一个重大挑战，如何提高吊脚楼建筑抵抗这些地质灾害的能力，是工程师们应该想方设法去解决的问题。本次结构设计竞赛以模拟吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为题目，具有重要的现实意义和工程针对性。根据大赛要求，我们采用结构设计软件结构力学求解器和SATWEY，经过多次优化，最后采用了直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系，该体系是在平面尺寸保持不变的直筒式框架结构的基础上，在其上部布置预应力拉条而
2、成。本计算说明书主要从结构方案、材料力学性能、计算方法和基本假定、结构分析四个部分进行阐述。在材料力学性能实验的基础上，我们采用结构分析软件SATWEY，分别对制作的模型分别进行了反应谱分析和时程分析，并采用质量球冲击模拟泥石流或山体滑坡。分析和试验结果表明，直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系既能充分利用竹材的抗拉性能，又具有良好的稳定性和优异的抗冲击性能。第1章 结构方案1.1 设计构思 1.1.1 选择合理的结构形式 形式服从功能，建筑物应适应时代的要求，注重功能，力求发挥和表现结构与材料的美学特点是我们追求的目标。此多层房屋结构设计方案的选择，很大程度上取决于结构形式的选择。在追求功能
3、和外观的同时，我们着重考虑了结构体系的合理性，经济性和实用性。结构设计，应以“安全，高效”为核心，力求“创新，经济，质轻，美观”。 结构主要承受冲击荷载影响。比赛中采用的三级冲击荷载分别对应实际情况中的小、中、大等级泥石流和滑坡。如何使结构在兼顾美观、经济的同时满足各级冲击荷载下的功能要求，成为我们着重考虑的问题。 1.1.2 关于模型设计的若干考虑 在满足强度和稳定的前提下，对结构起控制作用的变量主要是模型自重、楼层高度设置以及竖向荷载在楼层间的分布。各个变量彼此相关，不同的结构选型在这些方面有较大差异，需要在理论和实践上进行分析和比较。同时，由于是冲击荷载，模型设计应考虑动力荷载作用下结构
4、能否满足强度和稳定的要求。在结构选型中，我们对各种结构形式进行了比较详尽的理论分析和实验比较，着重分析结构自重和荷载分布，以期达到较大的效率比。具体措施有以下几点： 根据模型的制作材料，选择适当的结构形式，提高结构刚度和整体性，符合“强柱弱梁”，“强剪弱弯”的要求； 针对不同的结构形式，在保证安全可靠的前提下，尽量优化模型、减轻重量，使荷重比达到最大； 针对不同的荷载分布，通过大量加载实验，观测模型的加速度和位移，在满足安全的前提下，尽可能提高效率比；由于制作材料是竹皮和胶水，两者的材料力学特性均未知，因此需做材料性能试验，包括竹皮抗拉强度试验、竹皮抗剪强度试验、短柱抗压试验、长柱抗压试验、胶
5、水抗剪试验等； 合理运用竹皮材料的特性，充分发挥其优越的力学性能； 所有杆件的计算长度及控制长细比均按压杆考虑，以保证安全； 精心设计和制作构件及节点板，发现问题及时解决，从实践中不断总结，敢于创新，打破思维定势的约束； 合理借鉴其他团队的成功经验，经常交流沟通。 1.2 结构选型 1.2.1 模型结构选型 在模型计算、制作和实验过程中，不同模型都有自己的优缺点，从质量及结构整体稳定性等方面考虑，找出较为合理的结构类型。在整个设计过程中，我们考虑过如下四种体系： 纯框架结构体系 该体系传力明确，结构简明，模型制作简便，能满足基本功能要求，但整体刚度小，抗侧力、抗震性能较差，若要满足比赛抗震要求
6、则需要加强节点连接，增大梁截面，整体自重加大。 框架核心筒结构体系 该体系刚度大，整体性强，抗震性能优越，模型造型美观。通过试验表明，核心筒抗震实际效果不显著，并且制作较繁琐，模型自重大。框架拉条结构体系该体系以纯框架结构为基础，在结构上部布置拉条。该体系能够充分利用竹材的抗拉性能，结构刚度降低，抗扭能力有一定提高，但拉条如果存在缺陷，结构位移过大在结疤脆弱处容易产生脆断，选材需慎重。框架支撑结构体系 该体系以纯框架结构为基础，在结构底部布置支撑。该体系静承载力强，整体性好，抗侧刚度大，模型自重偏大，模型造型美观精致。在加载试验中表现出令人满意的抗冲击性能，若能较好地控制模型质量，该体系效率比
7、较高。通过试验显示，支撑会在冲击荷载作用下产生较大的冲击反力，减小了上部结构较大的水平侧向位移。在整个设计周期中，我们以“轻质高强，实用美观”作为设计指导思想，采用结构设计软件进行反复模拟计算，并进行地震模拟加载，逐一淘汰了相对薄弱或自重较大的结构体系，最终选定了框架支撑和框架拉条组合结构体系。在确定组合结构体系中的框架形式时，我们考虑了两种情况：直筒式框架，每层平面尺寸一致；塔式框架，从上到下平面尺寸依次缩小。通过比较，发现直筒式框架能够有效减少柱的偏心和扭转引起的不良影响，因此最终选择了直筒式框架支撑和框架拉条组合结构体系作为我们的参赛作品。 1.2.2 模型设计特色 直筒式框架支撑和框架
8、拉条组合结构体系具有如下特色： 合理用材，充分发挥了两种不同材料的力学性能 竹皮抗压强度较高，抗剪强度较弱，因此应尽量避免竹材受剪。竹皮做成的三角筒作为柱充分利用了其抗压性能，减轻了结构自重。胶水抗剪强度较高，抗拉强度低，因此在节点处尽量避免了胶水抗拉。 传力方式简洁明确，避免了复杂节点处理，杜绝薄弱环节的存在 设计应用钢结构节点连接设计方法，采用节点板连接节点，连接传力可靠，节点连接刚度大。放样、制作标准化，提高了制作精度。用材节约，经济性好 模型以矩形筒作为次梁传递竖向荷载，以支撑增大结构抗侧刚度，充分利用了竹材的抗拉性能，提高了模型的效率比。 注意选材 经仔细观察，我们发现提供的材料分为
9、顺纹和斜纹两种不同形式，实验表明，顺纹的抗拉强度明显优于斜纹板件，因此在板件的挑选上也需细致认真。 形式新颖，造型美观 模型多用杆件，造型轻巧、美观。楼层平面做成直筒形式，既避免柱的偏心和扭转，又使造型新颖、大方。 预应力的使用成为本模型的一大亮点 为了提高材料利用率，本模型创新地采用了竹皮湿胀干缩的特性，将杆件按设计长度润湿后粘贴，干燥后自然产生的预拉应力起到了良好的提高刚度的效果。1.3 结构布置 图1.1为本次参赛的结构方案。结构底部为吊脚层的下部大空间，以上为三层建筑使用层。结构总高1000mm，第14层层高分别为340mm、220mm、220mm及220mm。各层平面布置如图1.2所
10、示，其中楼面采用拉条制作。模型构件截面尺寸如表1.1所示，其中梁截面均为箱形截面，规格为高度宽度腹板厚翼缘厚（单位为mm，以下同）；柱截面为等腰直角三角截面，规格为直角边斜边厚度（单位为mm，以下同）；拉条截面规格为宽度厚度（单位为mm，以下同）。 图1.1 结构方案效果图图 (a) 第一层 (b) 第二层 (c) 第三层 (d) 第四层 图1.2 结构各层平面图（单位：mm） 图1.3 结构正立面图（单位：mm） 表1.1 构件截面尺寸表(单位：mm)层号 柱截面尺寸 梁截面尺寸 楼面拉条 撑杆1 20120.55 4根80.22 16100.55 4根80.23 16100.55 4根80
11、.2420280.720120.55 8根80.2第2章 材料的力学性能确定合理、真实的材料力学性能是进行结构整体受力分析和模型制作的前提。在进行结构分析和模型制作之前，我们分别对制作构件的材料（竹材）及连接材料（502胶水）进行了力学性能试验，以确定其力学参数。2.1 竹皮力学性能实验竹皮作为模型材料，其力学特性是顺纹抗拉性能良好，韧性大，逆纹抗撕裂能力不及顺纹抗拉能力，抗压弯能力均较弱，并且竹皮可能存在结疤脆弱区，会显著降低其力学性能。根据模型结构方案，我们分别沿竹材顺纹制作拉条及长柱进行试验，其中拉条用来测定抗拉强度、弹性模量、抗剪强度等，长柱用来进行确定稳定系数。制作长柱时，将竹皮沿顺
12、纹方向裁成竹条并用502胶水连接为箱型截面。2.1.1 试件强度试验拉条抗拉试验共制作2个拉条试件进行抗拉试验，试验结果见表2.1。竹皮抗拉强度取为75MPa，弹性模量E取为7500MPa，屈服强度取为65MPa。表2.1 竹皮抗拉试验结果试件编号 试件尺寸（宽 厚 长） （mmmmmm）横截面面积(mm 2)极限抗拉承载力(N)极限抗拉强度弹性模量E（MPa）屈服强度（MPa）（MPa）1 9.50.55250 5.225 378 72.3442 9.50.35250 3.325 256 76.9927500 65竹皮抗剪试验共制作2个抗剪试件进行抗剪试验，试验结果见表2.2。竹皮抗剪强度取
13、为30MPa。表2.2 竹皮抗剪试验结果试件编号 试件尺寸（宽 厚） （mmmm）横截面面积(mm 2)极限抗剪承载力(N)极限抗剪强度（MPa）1 600.35 21 216.504 30.312 200.35 7 74.205 30.6012.1.2 长柱稳定试验共制作6根不同截面尺寸的长柱，每种规格的柱子共3根。稳定试验结果见表2.3，其中 F1 F3分别表示每种规格的3根柱子分别测得的最大轴向力， F表示最终确定的轴向力； 表示长细比；表示稳定系数。表2.3 长柱稳定试验编号 规格 F1 F2 F3 F 1 34020280.7 172.8 167.4 181.2 173.8 54.0
14、64 0.1172 22020280.7 257.5 262.6 246.8 188.97 61.256 0.1812.1.3 竹材密度 取三块100mm100mm0.2mm（长宽厚）的竹材，测得质量分别为1.84g，1.79g，1.81g，取平均值得1.813g，进而算出密度为0.907g/cm 3，由于在制作的过程中有502的渗入，我们近似确定竹材的密度为1.00g/cm 3。 2.2 胶水力学性能实验 制作1根试件，用以测定502胶水抗剪强度，试验结果见表2.4。502胶水抗剪强度取为7.5MPa。表2.4 502胶水力学性能试件编号 试件尺寸（宽厚）（mmmm）横截面面积（mm 2）抗
15、剪承载力（N）抗剪强度（MPa)1 103 30 225.234 7.5082.3 试验得出的结论 从以上的材料力学性能试验，可以得出如下结论： 竹皮沿横纹不易制作，容易折碎，抗拉及抗压强度均较顺纹差，因而沿顺纹加工成箱型截面的杆件，均匀涂胶后抗压强度满足要求； 竹皮拉条抗拉强度高，但试验显示破坏多出现在结疤脆弱处，因而在选取拉条材料时，要求其上的缺陷尽量少； 竹皮杆件的强度指标离散性大，变异性强，手工制作存在误差，在确定强度指标时应取较高的安全系数； 竹皮为各向异性材料，顺纹方向受力性能较横纹方向好，制作中要避免横纹受力； 竹皮的抗压及抗拉强度与其厚度成正比，经试验，相同尺寸不同厚度的杆件，
16、0.5mm厚度的杆件力学性能符合要求，因而杆件一律采用0.5mm厚的竹皮制作； 比较打磨后的竹皮杆件和0.5mm厚原始竹皮制作的杆件，相同尺寸的杆件，打磨后的杆件承载力未有多大的减弱，而质量得以减轻。建议采用打磨后的杆件； 涂过量胶水与适量胶水的相同尺寸的杆件相比较，涂过量胶水的杆件承载力没有多大的提高，但重量却增加并且影响美观，因而杆件应打磨掉多余胶水，但要保证拼接处粘贴牢靠；观察杆件破坏情况发现，过度打磨后的杆件及胶水不均匀处更易出现破坏，因而应提高打磨质量，尽量打磨均匀，切除边缘过薄部分，涂胶应均匀； 两杆拼接处是薄弱处，除涂以适量胶水外还需在外缘粘贴节点板，经试验只有0.5mm厚竹皮制作的节点板能够保证安全要求。第3章 计算方法和基本假定3.1 计算方法和计算模型假设3.1.1 计算方法主要采用将模型简化，近似等效成平面刚架体系进行计算。而计算部分运用
