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1、 华北科技学院华北科技学院 第五届全国大学生第五届全国大学生结构结构 设计竞赛设计竞赛 计算书计算书 参赛学校：华北科技学院 参赛队名：创想队 参赛作品名：华北之星 参赛队员：徐洞斌 王冬 苗玉基 指导老师：张富强 齐宏伟 目录：目录： 1. 结构选型结构选型 2. 结构建模结构建模 3. 模型受荷分析以及强度刚度和稳定性分析模型受荷分析以及强度刚度和稳定性分析 4. 节点构造和模型加工图（含材料表）节点构造和模型加工图（含材料表） 5. 铁块分布详图和水箱注水重量铁块分布详图和水箱注水重量 6. 模型的创新点模型的创新点 1.结构选型结构选型 本结构是采用延性耗能框架设计原则设计的框架结构。
2、本结构除了必须有的足够的承载力和刚度外，由于竹片的良好性能（柔性好） ，还具有良好的延性和耗能能力。 本结构选型的理论依据有如下： 1.1 强柱弱梁原则 本结构采用的是 3 跟箱型柱通过缀条连接成格构式柱，从而大大的增加了在轴压力作用下柱的受弯承载力。而在设计梁的时候，只采用单根箱型截面柱。这样，在汇交同一个节点的上、下柱端截面在轴压力作用下的受弯承载力之和就大于两侧梁端截面受弯承载力之和。从而，在地震作用下框架出现塑性铰时，塑性铰先出现在梁端，推迟或者避免柱端形成塑性铰。这样就使得受弯构件梁在出现塑性铰过程中有很强的耗能能力。另外，强柱弱梁的设计方式也会使得梁端塑性铰分散在各个楼层，不仅耗散
3、大量地震能量，而且不至于形成机动体系倒塌。 1.2 强节点原则 框架梁、柱是靠节点连接成整体进行有效工作的。在地震时。节点是保证框架有效地抵御地震作用的关键部位。如果在梁、柱塑性铰充分发展前， 节点出现脆性破坏， 必然会造成交于节点的杆件失效，严重的适合会导致框架由于散失整体性而坍塌。所以，要保证节点有足够的承载力，使得节点的破坏不先于其连接的梁柱的破坏。为此，我们在设计节点时候，对节点进行了特别的处理。在梁与柱子 的交接部位，均做了承托构件和夹板，是梁柱交接部位加大胶水粘胶面积，加大节点处的承载能力。 2 结构建模结构建模 框架结构是空间结构，为了方便计算，我们忽略结构纵向和横向之间的空间联
4、系，忽略各杆件的扭转作用，将纵向框架和横向框架分别进行分析计算。做如下四点假定： 2.1 一榀框架可以抵挡在本身平面内的侧向力，而在平面外的刚度很小，可以忽略。因而整个结构可以划分成若干个平面结构共同抵抗与平面结构平行的侧向荷载，垂直于该方向的结构不参与受力； 2.2 忽略梁柱轴像变形以及剪切变形； 2.3 杆件为等截面（等刚度） ； 2.4 在竖向荷载作用下结构的侧移很小， 因此在做竖向荷载下的计算时候，假定结构无侧移。 根据以上假设，加上荷载作用，所得到的框架结构内力计算简图如下： 3.模型受荷分析以及强度刚度和稳定性分析模型受荷分析以及强度刚度和稳定性分析 3.1 荷载统计： 3.1.1
5、 模型铁块质量统计 顶层水箱与水总质量为 2.3kg; 三层铁块总质量为 7.2kg; 二层铁块总质量为 14.4kg; 首层铁块总质量为 7.875kg。 各层的铁块放置位置如图见铁块分布详图。 3.1.2 荷载传递 模型中的荷载传递路线为：铁块楼板和次梁框架梁 框架柱基础。 如图所示的忽略柱的轴向变形，由单根次梁传到主梁上的力(由 N 表示)，计算如下： （1） 顶层：N=（2.3kg*10N/kg）/8=2.875N; （2） 三层：N=（7.2kg*10N/kg）/8=9N; （3） 二层：N=（14.4kg*10N/kg）/8=18N; （4） 首层：N=（7.875kg*10N/k
6、g）/8=9.84N; 忽略轴向变形，所得到的计算简图如下 3.1.3 梁柱的刚度计算 （1）梁的刚度计算 如图：计算 L1 的 I 值 3322110.35(150.352)2100.35220.3510(50.352)209.95711212mmI计算 L2 的 I 值 33222110.35(150.352)2100.35220.3510(7.50.352)546.241212mmI计算 L3 的 I 值 3322110.5(150.52)2100.5220.510(7.50.52)754.531212mmI（2）柱的刚度计算 计算格构式柱子的形心位置 (0.5 23.5) 31.5xy
7、AAAcm 计算第三层和顶层的柱子的 I 值 单根箱型柱的 I 值为： 3322110.35(150.352)2100.35220.510(50.352)209.95701212mmI柱子的截面面积为： 2210 10 (100.35 2)13.51Amm格构式的柱子的 I 值为： 224 03(25 5)2(15 5)8735.87IIAAmm计算第二层和首层的柱子的 I 值 单根箱型柱的 I 值为： 3322110.55(150.552)2100.55220.5510(50.552)310.4801212mmI柱子的截面面积为： 2210 10 (100.55 2)20.79Amm格构式的
8、柱子的 I 值为： 224 03(25 5)2(15 5)11326.44IIAAmm由此可得到框架中梁柱的刚度比， 3.2 用分层综合法计算竖向荷载作用下结构的弯矩图（N.m） 下柱 右梁 左梁 下柱 0.977 0.023 0.023 0.977 -0.1653 0.1653 0.1653 0.0038 0.0019 -0.0019 -0.0038 -0.1634 0.1615 -0.1634 0.1634 -0.1634 1/3 1/3 0.0538 -0.0545 分层法计算框架顶层 0.0824 -0.0849 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 0.485 0.485 0.03 0
9、.03 0.485 0.485 -0.5175 0.5175 0.251 0.251 0.0155 0.0078 0.0079 0.0158 -0.2548 -0.2548 0.0038 -0.0038 -0.0003 0.2472 0.2472 -1.016 0.5096 -0.2548 -0.2548 1/3 1/3 1/3 1/3 0.0824 -0.0849 分层法计算框架第三层 0.1476 -0.1475 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 0.42 0.544 0.036 0.036 0.42 0.544 -1.035 1.035 0.4347 0.563 0.0373 0.01
10、87 -0.019 -0.0379 -0.4425 -0.5732 -0.008 -0.0103 -0.0007 0.4427 0.5733 -1.016 1.0158 -0.4425 -0.5732 1/3 1/3 1/3 1/3 0.1911 -0.1911 分层法计算框架第二层 0.0932 -0.0932 上柱 下柱 右梁 左梁 上柱 下柱 0.488 0.488 0.024 0.024 0.488 0.488 -0.5658 0.5658 0.2761 0.563 0.0136 0.0068 -0.0069 -0.0137 -0.2794 -0.2794 0.0034 0.0034
11、0.0001 0.2795 0.2795 -0.559 0.5588 -0.2794 -0.2794 1/3 1/2 1/3 1/2 0.1398 -0.1397 分层法计算框架第一层 将以上所得的内力进行组合得到如下的弯矩图，并将不平衡力矩在次分配得到节点已经平衡的力矩。 3.3 用 D 值法计算水平地震作用下结构的弯矩图 3.3.1 底部剪力法 （1）采用近震中计算，第一组gT=0.25，9 度抗震设防，多于地震，取地震影响系数 最大值g=0.32，不考虑顶部附加水平低正的作用取=0。按最不利情况取=max=0.32 eqG=0.85（2.3+7.2+14.4+7.875）9.8=264.
12、686N EKF=0.32264.686=84.69N 各楼层剪力： 41ii iEKjj jG HFF G H 11 147.875 9.8 0.26 84.697.875 9.8 .26 14.4 9.8 (0.235 0.26) 7.2 9.8 (2 0.235 0.26)2.3 9.8 0.96EKjj j iG HFF G H=10.44N 214.4 9.8 (0.26 0.235) 84.697.875 9.8 .26 14.4 9.8 (0.235 0.26) 7.2 9.8 (2 0.235 0.26) 2.3 9.8 0.96F =36.33N 37.2 9.8 (0.26
13、 0.235 2) 84.697.875 9.8 .26 14.4 9.8 (0.235 0.26) 7.2 9.8 (2 0.235 0.26)2.3 9.8 0.96F=26.79N 42.3 9.8 (0.26 0.235 2 0.23) 84.697.875 9.8 .26 14.4 9.8 (0.235 0.26) 7.2 9.8 (2 0.235 0.26) 2.3 9.8 0.96F =11.26N 取一框架计算剪力减半得如下图所示的剪力图： 3.3.2 D 值法计算内力 表一 梁线刚度bi计算 E=1.0104MPa 层数 跨度 L（m） I 值 线刚度 i=EI/L 1 0.
14、19 5.40X10-10 2.87X10-2 2 0.19 7.54X10-10 3.97X10-2 3 0.19 5.40X10-10 2.87X10-2 4 0.19 2.10X10-10 1.11X10-2 表二 柱线刚度ci计算：E=1.0104MPa 层数 跨度 hc（m） I 值 线刚度 i=EI/L 1 0.26 1.13X10-8 0.436 2 0.235 1.13X10-8 0.482 3 0.235 0.874X10-8 0.372 4 0.23 0.874X10-8 0.38 表三 柱的侧移刚度计算如下表 ： 层数 根数 K a D 值 4 2 0.0524 0.02
15、6 2.24 3 2 0.0931 0.044 3.56 2 2 0.0712 0.034 3.56 1 2 0.0658 0.274 21.2 注：1,第一层 K= bciKi，其余层 K=2bciKi2,第一层 a= 0.5 2K K，其余层啊 a=2K K表四 内力计算如下表所示： 柱 层 数 层高 （m） Vi 相对 D 值 D Vik K y0 y1 y M上 M下 边 柱 4 0.23 5.63 2.24 4.48 2.82 0.4 0.19 0.26 0.5 0.36 0.29 3 0.235 17.53 3.56 7.12 8.77 0.4 0.3 0.09 0.4 1.26 0.80 2 0.235 35.69 3.56 7.12 17.8 0.5 0.44 -0.3 0.2 3.44 0.75
