全国赛吊脚楼–计算书修订.doc

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： ⑴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； ⑵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； ⑶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； ⑷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、胶水抗剪试验等； ⑸合理运用竹皮材料的特性，充分发挥其优越的力学性能； ⑹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； ⑺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； ⑻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： ⑴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则需要加强节点连接，增大梁截面，整体自重加大。 ⑵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。 ⑶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。 ⑷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