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1、浙江大学第十三届大学 生结构设计竞赛海洋平台在风荷载作用下的最佳建筑 结构形式设计方案 学校名称 浙江大学 作品名称 快乐的大脚 参赛院系 建筑工程学院 参赛队名 09卓越 参赛学生 联系电话 二零一二年四月浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 1 目录 第一部分 设计说明书.2 1. 设计背景与结构选型.2 1.1. 背景.2 1.2. 结构选型.3 1.3. 抗侧体系.6 2. 模型制作.7 2.1. 模型加工图（含材料表）.7 2.2. 杆件数量表.11 2.3. 模型细部及节点构造.12 3. 模型模拟效果图.15 4. 模型实物图.15 第二部分 计算书.16 1. 结构模型荷
2、载作用分析.16 1.1. 重力荷载分析 .16 1.2. 风荷载分析.17 2. 结构模型计算分析 .17 2.1. 计算模型假定 .17 2.2. 计算模型结果 .19 2.2.1. 静力分析结果.19 2.2.2. 考虑风荷载的波动.24 2.2.3. 整体稳定性屈曲分析.28 2.2.4. 结论.32 参考文献： .33浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 2 第一部分 设计说明书 1. 设计背景与结构选型 1.1. 背景 地球上71%的表面被海洋覆盖，对于人类来讲，海洋是一个巨大 的财富，尤其是伴随着工业的发展，人们对能源的需求与日俱增， 地上有限的能源已逐渐不能满足人类的需求
3、，因此，开发海洋资源 已经成为人们的当务之急。同时，由于海洋平台工作环境是在近海 海面上，受到风浪等荷载的作用，因此寻求合理的抗风浪结构形式 和对其安全性和可靠性的分析评价是确保其在服役年限内正常使用 的必要环节。浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 3浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 4海洋平台及其构造 1.2. 结构选型 本次竞赛为寻求海洋平台在风荷载作用下的最佳结构形式。 首先通过对赛题的初步研究，我们在桩基式固定平台或半潜式浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 5 浮动平台中做出选择。考虑到“模型在加载池中安装和比赛的整个 过程，参赛队员的双手不能触碰到水面”以及
4、“每个锚只能从水面 高度一次性自由放下”的情况，使得半潜式浮动平台的可操作性难 度非常大、锚位置的随机性不好控制以及本身我们小组对半潜式浮 动平台的认识的不足，选择了桩基式固定平台的设计方案。初期， 我们设计了薄壁柱的模型，这是考虑到比赛计分规则中最轻模型得 分权重大的情况，如下图（图1-21）所示的设置。 图1-21 经过试验我们发现，由于结构主要承受水平荷载，薄壁结构模 型底部剪力弯矩过大，导致底部破坏。通过此次试验，我们总结认 为水平荷载下应该加强底部构造，并且模型各个侧面的杆件过多。 由此我们对之后的模型进行了一定的改进，将四根柱脚截面做成了浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计
5、6 变截面形式，将底面尺寸由280mm280mm改为500mm500mm,并且去 除了多余杆件（如图1-22）。 图1-22 在之后的试验中我们发现，在不稳定的风力荷载下，此种薄壁 结构可能出现弯曲和挠曲变形，从而导致结构的先失稳后材料破坏。 在之后的不断试验中我们发现斜撑对模型的刚度贡献很大且易控制， 于是我们在模型底部增加了四个三角支脚、做了柱脚加固，同时为 加强模型的整体性，我们在模型底部加了整体箍筋，并且利用塑料 板做了整体柔性箍筋拉丝，同时每个柱脚加了横向加劲肋。通过长浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 7 期的设计研究及试验验证，我们最终确定了如下的模型结构。 图1-23
6、1.3. 抗侧体系 本模型通过变截面形式、添加柱脚加固、底部设置三角支脚、 设置整体箍筋和柔性塑料拉丝四个设计形成了简单而又有效的抗侧 体系，并且有效地减轻了结构的自重，可以有效防止模型在水平风 荷载和竖向荷载综合作用下发生倾覆或破坏。浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 8 2. 模型制作 2.1. 模型加工图（含材料表） a. 框架柱的制作： 我们采用所发的1mm55mm1000mm的薄木板来制作框架柱。 每根柱为沿高度变截面的等腰直角三角形，加工制作图如下（图2- 11）所示。 图2-11 其中为增强框架柱的强度，我们还在柱内部以不同间距粘了横 向等腰直角三角片作为加劲肋。如下图（
7、图2-12）所示。浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 9 图2-12 b. 梁的制作： 我们采用所发的3mm3mm的木条来制作框架梁。每根梁由两条 木条粘接而成，形成6mm3mm的截面杆件，分布于顶部框架和侧向 斜杆。加工制作图如下（图2-13）所示。浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 10 图2-13 c. 三角支架的制作： 三角支架的做法同梁的制作方法相同。用于制作的木条规格为 3mm3mm，定位尺寸可见后面三维图和实物图。 图2-14 d. 整体箍筋的制作： 整体箍筋的做法同梁的制作方法相同。用于制作的木条规格为 3mm3mm，定位尺寸可见后面三维图和实物图。 图2-15
8、 e. 柱脚加固的制作：浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 11 柱脚加固的做法同柱脚的制作方法相同。用于制作的薄板厚度 为1mm，定位尺寸可见后面三维图和实物图。图2-16图2-17浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 12图2-21（整体柱脚图）图2-22（实物柱脚图） f. 材料表 材料表 材料用量 长1000mm宽55mm厚1mm板 9张 截面3mm3mm的杆件 50根 2.2. 杆件数量表 杆件数量表 杆件名称 数量 长度 柱脚板 8 1200mm 横梁（顶边） 4 200mm 横梁（突出） 4 56mm浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 13 斜梁（顶） 4
9、262mm 斜梁（其余） 16 183mm 三角支架 8 300mm 圈梁（边） 4 200mm 圈梁（角） 4 71mm 支脚板 12 塑料拉丝 1 2.3. 模型细部及节点构造 为了保证模型的可靠性我们在节点处作了以下一些处理： a. 柱脚搭接部分我们用矩形片加强了柱之间的粘接牢固性。 2-31 b. 横向加劲肋的构造，为了增强柱脚的强度和刚度，我们特意在各 高度设置了横向加劲肋浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 14图2-32 c. 考虑到斜杆粘结的冲突，采用了如此的粘结方法。 图2-33 d. 模型底部增加了四个三角支脚、做了柱脚加固，同时为加强模型 的整体性，我们在模型底部加
10、了整体箍筋，细节如图所示。浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 15 图2-34 图2-35 e. 其他细部构造浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 16 3. 模型模拟效果图 4. 模型实物图 图4-1浙江大学第十三届大学生结构设计竞赛方案设计 17 图4-2 第二部分 计算书 1. 结构模型荷载作用分析 1.1. 重力荷载分析 加载箱重量 加载箱重量为3.3kg，作用面积为300mm300mm，等效为作用 在模型顶端四个节点的力： 3.3 9.8 / 8.085 4 kg N kg N 水平砝码重 186g砝码所施加的力为 0.186 9.8 1.8228N 结构自重浙江大学第
11、十三届大学生结构设计竞赛方案设计 18 结构自重根据其截面尺寸和木板密度得到。 1.2. 风荷载分析 在压差的作用下大气发生流动形成风，风的强度通常用风压表 示，风速和风压的关系通过流体力学中的伯努利方程表示： 2 2 2 1 1 ( / ) 2 2 w v v kN m g 在标准大气压下， 1 2 g 约为 1 1630 ，则风压为 2 39.3 / N m ，高度变化 系数和体形系数均不考虑。 等效为模型两个角点的节点力： 2 39.3 / 0.3 0.3 1.7685 2 N m m m N 2. 结构模型计算分析 我们利用有限元分析软件ANSYS对结构在各种荷载下进行了静 力和时程分析。 2.1. 计算模型假定 1) 计算基本假定： a. 结构模型所采用的木材连续、均匀； b. 梁与柱之间连接可靠，结点假设为刚结 c. 结构模型插入水中砂内，支座采用三点铰接支座 d. 未模拟加劲肋、三
