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1、 第五届全国大学生结构设计竞赛 河北工业大学 带屋顶水箱的竹质多层带屋顶水箱的竹质多层 房屋结构房屋结构 方案设计说明书方案设计说明书 作品名称作品名称 乐画诗书乐画诗书 参赛学校参赛学校 河北工业大学河北工业大学 参赛队员参赛队员 阮鹏飞阮鹏飞 、 何海陆何海陆、 张萌萌张萌萌 专业名称专业名称 土木工程土木工程 、土木工程土木工程 、土木工程土木工程 指导教师指导教师 刘金春刘金春 、陈向上陈向上 2011 年年 10 月月 17 日日- 1 - 目录目录 第 1 部分 简述 . 2 第 2 部分 结构设计说明 . 2 2.1 结构概念设计 . 5 2.2 结构优化与选型 . 11 2.3
2、 最终方案介绍 . 11 2.3.1 结构总体简介 . 11 2.3.2 结构细部简介 . 13 第 3 部分 结构力学特性分析 . 14 3.1 结构受力特点简述 . 14 3.2 结构静荷载分析 . 14 3.2.1 参数输入 . 15 3.2.2 位移结算结果 . 16 3.2.3 弯矩、剪力、轴力计算结果与稳定验算 . 17 3.3 结构动力荷载分析 . 18 3.3.1 参数输入 . 19 3.3.2 位移计算结果 . 19 3.3.3 弯矩、剪力、轴力计算结果与稳定验算 . 21 3.3.4 模态分析与结构振型 . 23 第 4 部分 制作工艺 . 24 4.1 杆件制作 . 24
3、 4.2 节点制作 . 25 4.3 柱脚制作 . 26 4.4 整体拼接 . 28 第 5 部分 结构特色与创新 . 29 第 6 部分 总结 . 29 第 7 部分 附录 . 30 7.1 附录一：结构设计图 . 30 7.2 附录二：参考文献以及资料 . 35 - 2 - 第一部分第一部分 简述简述 本设计说明书结合赛题与相关文献，从方案构思、结构优化、建模计算到制作工艺一步步阐述了结构设计与制作的全过程， 最后对方案的特色与创新进行了简要的说明。 此结构从比赛要求、 实际建筑物的结构形式、 材料性能的角度依照强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件的原则去构思方案，本着结构安全、稳定、简单、受
4、力明确、能承受高荷载的理念，来确定结构的总体形式，美观、轻质而又稳固。 方案优化主要包括方案整体形式的优化及对杆件截面形式的优化，在优化过程中以理论计算为主，并通过实验对计算结果进行修正，使结构的优化过程有充分的理论与实践依据。 结构计算主要分为结构简化计算阶段、结构整体计算阶段、结构细部计算阶段、结构验算阶段。在结构简化计算阶段主要解决对结构整体形式的选取，通过结构简化内力图确定结构各个部位的受力情况， 从而确定荷载在结构中分配与传递的宏观路径。在结构整体计算阶段主要借助有限元分析软件，对结构整体的刚度有一个初步的定位，为结构选配一定形式的杆件以及结构的优化奠定基础。在结构细部计算阶段主要计
5、算各个杆件的受力情况， 主要是对杆件轴力与弯矩的计算，绘制弯矩图，为杆件截面的优化提供理论依据。结构验算阶段是对最终方案的验算，主要是对结构稳定性的验算。 对于结构的制作工艺我们将其作为独立的章节进行阐述，主要包括杆件以及节点的制作，多层房屋的拼装工艺，结构整体连接以及调平措施。本方案设计书从各个方面展示了结构在实际中的制作过程。 第第 2 部分部分 结构设计说明结构设计说明 2.1 结构概念设计结构概念设计 概念设计在总体上把握抗震设计的主要原则，弥补由于地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算不准确的不足。一个合理的抗震设计，在很大程度- 3 - 上取决于良好的“概念设计”。 为了保证
6、结构具有足够的抗震可靠性而对模型结构做的概念设计主要考虑了以下因素：底板与底座的稳固；模型的平、立面布置及其外形尺寸；抗震结构体系的选 取、抗侧力构件的布置以及结构质量的分布；斜拉杆件与主体结构的关系及其两者之间的节点；材料与制作工艺等。本比赛的题目是带屋顶水箱的竹质多层房屋结构，所采用的是竹制材料，作品最终是要获得结构质量与结构刚度的最优组合,以达到抗震的效果。首先我们优先采用延性好的结构方案，即中心支撑的刚接框架。根据建筑抗震设计规范规定，在不对称结构中，计算水平地震作用时应考虑水平地震作用下的扭转效应，楼层最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.
7、2 倍时定义结构为扭转不规则；且不规则结构楼层最大弹性水平位移（或层间位移）不宜大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）位移的 1.5 倍。这样结构平面质量中心与刚度中心的不重合，将导致水平地震作用结构下的扭转振动，即为扭转不规则结构，对结构抗震不利。.建筑的平立面布置应符合概念设计的要求 ,不应采用严重不规则的方案。不规则的建筑 ,在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整 ,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。借鉴国际的通行做法 ,参考外国规范 ,使我们的设计更加完善合理， 因此我们采用对称结构。它有刚度大、承载力高的优点。在有限空间内，结构的面积越大，惯性矩越大，刚度越大，因此结构截面初步定为正方形，整体为对称的结构。如图 2.1.。设计规范 图 2.1 结构的简化图 图 2.2 位移计算图 - 4 - 确定结构的体型系数，便可以按照静荷载求解，分析结构的受力情况。根据图2.2 的位移计算图，我们看到模型的上部分位移移动较小，下部分移动较大，因此我们选定为棱台结构。这样会减小结构的位移。此结构主要为承重结构，当向右震动的时候弯矩如图 2.3，当向左震动的时候弯矩如图 2.4
