全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽方案書

1、第一屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽方案設(shè)計一米陽光第一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽設(shè) 計 方 案 作品名稱 一米陽光 學(xué)校名稱 西南交通大學(xué) 學(xué)生姓名 陳力波 學(xué)號 20011332 學(xué)生姓名 梁進(jìn)賢 學(xué)號 20011315 學(xué)生姓名 李孝陶 學(xué)號 20012983 指導(dǎo)教師 李力 聯(lián)系電話二五年五月二十八日- 19 -在城市的森林我們擠在一起沒有呼吸只希望在抬頭的時候多見到一米陽光 目 錄設(shè)計說明書一、 方案構(gòu)思1二、 功能布局2三、 結(jié)構(gòu)選型3四、 材料試驗6五、 數(shù)據(jù)處理7六、 結(jié)構(gòu)設(shè)計8七、 制作工藝9八、 特色處理10設(shè)計計算書一、 計算模型11二、 荷載分析11三、 內(nèi)

2、力分析12四、 承載能力估算14五、 破壞形式分析14參考文獻(xiàn)15附件116附件218設(shè)計說明書l 方案構(gòu)思科技的發(fā)展，人們意識形態(tài)中對高層建筑所具有的特殊標(biāo)識性的認(rèn)可，及其所具有的高容積率，在單位面積中獲得的高投資回報率，使高層建筑在城市中具有了蓬勃的生命力。但他的密集發(fā)展也給城市帶來了許多心理學(xué)以及社會學(xué)方面的矛盾。城市中鱗次櫛比的高層建筑如同一片水泥森林，帶來了城市小環(huán)境氣候的變化；同時高大建筑特有的巨大陰影面積遮擋了大片的地面。抬頭望去，細(xì)長的天空楚楚可憐；密密的高樓用他龐大的身軀遮擋了陽光。在下面渺小的人們，仰望著高大的水泥巨人壓抑心情可想而知。我們需要陽光，我們需要一個好的城市、街

3、區(qū)環(huán)境，我們需要獲得高層建筑的內(nèi)部使用空間。如何解決矛盾、實現(xiàn)環(huán)境與利益的共贏，是我們的出發(fā)點。一米陽光不多，但可以給人帶來溫暖，如果在建筑中多了一米陽光，帶來的將是冬日暖陽一個變截面的高層體量逐漸在腦海中形成，緩和的斜面灑滿金色的陽光；纖細(xì)的體量帶來的建筑透視感，減輕了人們對高層龐大體量的視覺壓力；建筑的陰影面積減少了，讓和睦的陽光自由傾瀉在草地上l 功能布局高層建筑在城市中扮演著種種角色：商務(wù)、辦公、酒店、餐飲、居住等。高層綜合樓的出現(xiàn)更是在同一建筑中將多種功能重新組合，由于功能對建筑凈跨度有不同的需要，如何實現(xiàn)高層綜合樓空間的合理利用是建筑功能布局的重點。標(biāo)準(zhǔn)層平面方案采用矩形平面，平面

4、尺寸隨著高度的不同而不斷變化，滿足不同的功能跨度需求。結(jié)構(gòu)基于漸細(xì)筒體的概念，采用外框承載，室內(nèi)有開敞的無柱空間。易于實現(xiàn)不同功能的平面布置方案。建筑立面是多種建筑藝術(shù)表現(xiàn)的混合體，通過水平、豎向、對角線斜構(gòu)件的相互作用，而得到力量與穩(wěn)定的視覺認(rèn)識。立面的斜撐有助于形成穩(wěn)定向上的漸細(xì)的體形。它們將整個結(jié)構(gòu)與地面相連，從而具有安全感。漸細(xì)的形狀和斜撐清楚地表現(xiàn)出建筑物的內(nèi)在力量，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和建筑形式之間存在一種和諧的關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)美學(xué)的建筑，用最簡單的語言表達(dá)出了結(jié)構(gòu)的高雅，使其在城市環(huán)境中容易與其他建筑形成對比，建筑的標(biāo)識性更強(qiáng)，具有一種明確的建筑藝術(shù)風(fēng)貌。立面細(xì)節(jié)處理上沒有使用浮華的建筑語言

5、，只是運用幕墻材質(zhì)的變化來強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的美。建筑體量是平衡的、纖細(xì)的，表現(xiàn)手法簡潔，實現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。建筑緩和的斜度增添了比例的美觀，獲得更多的采光面積多，符合重力和風(fēng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力流，加強(qiáng)了建筑的透視感。相比較直上直下的方盒子而言，視覺壓力減小了。結(jié)合內(nèi)部功能，這種漸細(xì)形式對建筑的多功能有一定的幫助，室內(nèi)空間離窗戶較近，利于直接采光通風(fēng)。l 結(jié)構(gòu)選型整體選型建筑物的結(jié)構(gòu)體系不僅決定了將承受的豎向荷載傳遞到地基上的方法和抵抗側(cè)向荷載的方法，而且是決定建筑物安全性和經(jīng)濟(jì)性非常重要的因素。建筑物常用的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)及住宅中經(jīng)常使用的剪力墻結(jié)構(gòu)，高層建筑中有撐系框架（braced frame

6、）、外伸及帶狀桁架體系（outrigger & belt truss）、筒體（tube）、巨型框架（super frame）等結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系的比較 （適合 一般 x不適合）設(shè)計要求frameoutriggerframe tubebraced framesuper frame控制水平位移的簡便性xx重力體系對控制水平位移的效果x空間的自由布置及確保內(nèi)部空間x確保公寓/賓館的進(jìn)深x開放下部大廳空間x結(jié)構(gòu)立面與正面形狀相互協(xié)調(diào)x柱彈性收縮問題xx連接節(jié)點過多與否（施工性）x本結(jié)構(gòu)模型通過對不同結(jié)構(gòu)形式的特性和優(yōu)缺點進(jìn)行比較，綜合考慮了設(shè)計要求、模型制作的復(fù)雜性等因素影響，最終選擇了撐系框架體系。

7、撐系框架最大的特點就是利用結(jié)構(gòu)桿件的軸向承載力和剛度傳遞側(cè)向荷載和重力荷載，從而提高結(jié)構(gòu)整體的荷重比，因此有效性很高。在這種體系中，水平剪力主要由腹桿而不是柱承受，而腹桿又主要由其軸力的水平分量抵抗剪力，可接近一個真正的懸臂梁。該體系經(jīng)過合理設(shè)計，其結(jié)構(gòu)整體立面豐富，構(gòu)件受力合理，適用于高層建筑結(jié)構(gòu)。局部選型1. 上部結(jié)構(gòu)平面布置矩型截面工字型截面 首先使用運籌學(xué)軟件lingo8.0對工字型截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，選配出合適截面尺寸之后利用sap2000 v9.04進(jìn)行計算。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)工字型平面受荷時，桿件內(nèi)力的確減小很多，構(gòu)件截面尺寸可以折減一些。但是，由于腹桿數(shù)目增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體自重爭增加約一

8、倍，結(jié)構(gòu)建模及傳力路徑復(fù)雜，故最終沒有采用，而采用矩形截面。我們將柱布置在矩形的四個角隅以獲得最大的抗彎剛度。立面布置 平行受荷方向變截面考慮到建筑功能對進(jìn)深要求的不同，經(jīng)過比較選擇了逐漸向上縮小的變截面形式，而從其結(jié)構(gòu)上看，符合內(nèi)力分布曲線，受力更合理。由參考文獻(xiàn)【4】，變截面有利于抵抗水平力，比矩形柱狀截面可減小1030的側(cè)移。經(jīng)過傾覆計算發(fā)現(xiàn)（詳見計算書），盡管頂面偏心可以提高結(jié)構(gòu)整體的抗傾覆能力（提高約），但腹桿增加自重約，在荷重比上有些失利，故頂面尺寸采用最小限制頂面尺寸。 垂直受荷方向等寬盡管增加粱寬可以增大截面慣性矩（結(jié)構(gòu)整體剛度），但是考慮相應(yīng)腹板桿件的相應(yīng)長度增加，且設(shè)計任務(wù)

9、書對此方向沒有剛度要求，只需滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，最終決定采用最小尺寸以減小結(jié)構(gòu)自重。通過交叉張拉繩索施加一定的初張力，防止失穩(wěn)。 支撐類型中心支撐系骨架（cbf）考慮任務(wù)書中對結(jié)構(gòu)的側(cè)移限制，故采用中心支撐系骨架，以獲得較大的剛度。 斜桿體系人字型-v型交疊斜支撐最初設(shè)計中考慮每層均采用交叉斜桿，但由分析知，交叉斜桿在受到側(cè)向荷載時一根受壓、一根受拉?？紤]到側(cè)向荷載可能在兩個方向隨機(jī)加載，故其中必有一根（拉桿）不能充分發(fā)揮作用，且交叉部分制作、連接較為復(fù)雜；由參考文獻(xiàn)【9】，對于塔架寬度較大時，采用人字型或v型斜支撐較為經(jīng)濟(jì)（考慮長細(xì)比限制）。為了進(jìn)一步減小橫梁彎矩，最終采用人字型-v型交疊斜支

10、撐，這樣結(jié)構(gòu)立面也顯得更加豐富。2. 基礎(chǔ)剛性底板基礎(chǔ)經(jīng)過傾覆計算（詳見計算書），為了提供足夠的抗傾覆力矩，基礎(chǔ)尺寸必須用足。而在結(jié)構(gòu)足跡范圍內(nèi)，由于基礎(chǔ)深度有限制，且鐵砂側(cè)面摩擦系數(shù)較小，不可能采用樁基礎(chǔ)或較小孔徑的深基礎(chǔ)，顯然采用剛性底板基礎(chǔ)是最合適的。如何在盡可能節(jié)約材料的情況下，提高基礎(chǔ)自身的剛度，同時如何盡可能保證上部結(jié)構(gòu)與其基礎(chǔ)形式剛性連接，這是在本次設(shè)計過程中遇到最為棘手的問題。經(jīng)過多次試驗比較，最終選擇了如圖所示的基礎(chǔ)形式。l 材料試驗分析任務(wù)書所提供的具體材料力學(xué)性能指標(biāo)后，得出：1. 均勻涂抹的膠水對紙的力學(xué)性能固化作用不可小視，對原材料有較大的改性效果。2. 任務(wù)書中所提

11、供極限拉壓應(yīng)力只是針對單層紙而言，隨著層數(shù)的增加，強(qiáng)度會有哪些規(guī)律性的變化？簡單的推算缺乏依據(jù)，需要相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)證明。3. 紙作為模型材料，其力學(xué)性能特點是受拉性能良好，抗撕裂能力差；若將其制成薄壁型構(gòu)件并用乳膠粘結(jié)后，可承受一定的壓力，但受長細(xì)比的限制，多為壓桿失穩(wěn)狀態(tài)的受力破壞，可承受一定彎矩。部分試驗構(gòu)件考慮到承載能力估算要求，為了得到更為準(zhǔn)確的設(shè)計數(shù)據(jù)，我們制作了3種構(gòu)件抗拉構(gòu)件（寬度3cm，層數(shù)3、5、7層）和9種抗壓構(gòu)件（計算長度150mm內(nèi)徑6、8、10mm，層數(shù)3、5、7層），在強(qiáng)度與材料實驗室mts上分別進(jìn)行了抗拉壓破壞性試驗。構(gòu)件屈曲形態(tài)試驗結(jié)果記錄l 數(shù)據(jù)處理利用數(shù)學(xué)軟

12、件mathematica 5.0對實驗結(jié)果進(jìn)行分類處理，結(jié)果如下：拉伸試驗結(jié)果層數(shù)12345極限拉應(yīng)力（mpa）12.472916.749319.972922.143723.2616壓縮破壞試驗結(jié)果（單位：n）內(nèi)徑(cm)層數(shù)12345657.3081111.799163.474212.332258.3738101.094139.567190.619254.251330.46310265.581405.76512.097依據(jù)此結(jié)果適當(dāng)折減，進(jìn)行構(gòu)件截面選配。l 結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)件截面尺寸的確定綜合考慮了構(gòu)件試驗結(jié)果、內(nèi)力分析結(jié)果及實際加載試驗結(jié)果。設(shè)計結(jié)果見下表及構(gòu)件詳圖：桿件數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)長度(mm)制

13、作長度(mm)截 面內(nèi)徑(mm)層數(shù)壁厚（mm）z1470801030.9z24310.51243201030.9z34465.76874801041.2z44355.58683701051.512150170830.924165.53210830.932150170830.944176.26220830.952167.83210820.664180.67220830.972185.66230830.984185.41230830.992203.5240820.6104190.45230830.9112221.33260830.9124195.77240830.9132239.16280820

14、.6144201.34240830.9152256.99300830.9162280320830.9172150170830.9182150170820.6192150170820.6202150170820.6212150170820.6222150170830.9232150170830.9242150170830.9252150170830.9l 制作工藝1. 卷桿在制作過程中我們發(fā)現(xiàn)，在桿件外層初步粘結(jié)后，對桿件進(jìn)行若干次單方向（卷桿方向）的搓動，桿件會利用白乳膠提供的初步粘結(jié)力內(nèi)裹，使桿件的密實程度增加，幾層紙共同受力。由于白卡紙自身硬度較大，通過在卷桿之前對白卡紙進(jìn)行預(yù)卷數(shù)次，使其

15、具備一定的預(yù)曲率，方便工藝進(jìn)行。為保證桿件盡可能快地風(fēng)干，按照拼接的順序卷桿。首先量取所需材料，并于紙上標(biāo)注相應(yīng)的標(biāo)號。先卷出所有的柱，然后卷桿1、3和16，其余桿件按編號順序卷；將卷好的桿件套于模具上，用冷風(fēng)機(jī)吹干后取下，并用鉛筆于桿中間標(biāo)好桿件號，便于查找。2. 拼接及綁扎依據(jù)制作經(jīng)驗，桿件組裝時由中間向兩端或由一端向另一端組裝時，尺寸不易控制，容易出現(xiàn)誤差。為此，對拼接順序做了一些調(diào)整，具體如下（以一片桁架為例）：a) 先將兩側(cè)的2根柱連接，保證整根柱子順直；b) 為保證桁架兩端的尺寸，先將柱子兩端的橫向聯(lián)系桿件連上；c) 拼接其他橫桿，保證整片桁架平直；d) 拼接斜桿；e) 同理拼接另

16、一片桁架，然后用側(cè)向連接桿件將兩片桁架連接；f) 綁扎節(jié)點，張拉繩索。制作順序如圖：3.基礎(chǔ)基礎(chǔ)的處理是重點。先用桿件作成一個具有一定剛度的平面框架，并用蠟線在框架上拉成網(wǎng)，然后用蠟線將各桿向上拉起，綁扎至柱子，這樣，基礎(chǔ)在蠟線的作用下有向上預(yù)拱度，再在網(wǎng)上鋪上3層的卡紙。4. 風(fēng)干及修飾用冷風(fēng)機(jī)間斷性地吹模型，讓其盡快地干掉；按規(guī)定尺寸裁剪結(jié)點板,最后粘接。l 特色處理繩索的使用在本次比賽中，組委會提供了大量的蠟線，我們認(rèn)為對這些蠟線的有效利用與否極大影響比賽成績好壞。在模型制作過程中，我們除利用其對部分節(jié)點進(jìn)行綁扎之外，同時在橫梁中間穿線進(jìn)行綁扎，在結(jié)構(gòu)側(cè)面、樓層平面交叉布置了較多的蠟線，

17、以施加初始張拉力，顯然，這樣可消除制作誤差導(dǎo)致拼接時產(chǎn)生的空隙，使各桿連接更為緊密。此外我們在基礎(chǔ)中張拉了大量的蠟線，以控制基礎(chǔ)橫梁位移。我們以為，臘線的有效利用對整個模型的承載及抗傾覆將起到積極作用。節(jié)點處理由內(nèi)力分析結(jié)果（詳見計算書），我們不難發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點和部分橫梁與斜桿相交處存在較大的剪應(yīng)力，而相應(yīng)的剪切變形在很大程度上關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體側(cè)移。同時由于拉索初張力的存在，節(jié)點區(qū)相對應(yīng)力集中。為了進(jìn)一步控制節(jié)點變形，同時保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生局部失穩(wěn)，我們在相應(yīng)部分插入若干空心銷進(jìn)行加固，類似箱形截面的加勁肋作用，起到了不錯的效果。設(shè)計計算書l 計算模型此類空間塔架的計算，考慮到弦桿（柱）截面強(qiáng)度和剛度

18、要比腹桿（梁及斜向支撐），且構(gòu)造具有連續(xù)性，因此考慮弦桿為連續(xù)，腹桿與其鉸接連接更為接近實際。根據(jù)任務(wù)書提供的材料力學(xué)性能指標(biāo)及試驗結(jié)果，使用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件sap2000 v9.04建立模型，進(jìn)行分析計算，模型各桿件連接方式如圖示：l 荷載分析將實際荷載簡化為節(jié)點荷載，加載模式如右圖。沖擊荷載由參考文獻(xiàn)【13】分析計算如下：在沖擊過程中，物體g的速度由減至0，所以動能減少。又因為沖擊荷載是沿水平方向的，故結(jié)構(gòu)整體勢能沒有改變，桿件應(yīng)變能為。由于結(jié)構(gòu)在受到水平方向的沖擊后將發(fā)生彎曲，所以其中為桿件在被沖擊點處發(fā)生的沖擊撓度，其與之間的關(guān)系為，由此可得。于是，可得桿件內(nèi)部的應(yīng)變能為，由機(jī)械能守

19、恒定律可得，由此解得，那么動力放大系數(shù)；其中速度n/m，為荷載落差，為相當(dāng)于沖擊物靜荷載作用下構(gòu)件頂端沿沖擊荷載方向產(chǎn)生的位移，保守估計為15mm。將上述數(shù)值代入計算得到，故相當(dāng)于n的靜荷載加載于桿端。分析上述結(jié)果后，我們認(rèn)為計算結(jié)果尚應(yīng)進(jìn)行折減。理由如下：其一，對于整個結(jié)構(gòu)而言，在受到?jīng)_擊荷載時，構(gòu)件瞬間強(qiáng)度會增加，故不太可能發(fā)生因材料強(qiáng)度破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效；其二，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊荷載時，豎向荷載及基礎(chǔ)中鐵砂自重的存在是有利于結(jié)構(gòu)抗傾覆的；其三，傳遞荷載的繩索剛度對結(jié)果影響也很大，而計算時考慮繩索完全剛性，應(yīng)屬最不利情況。綜上，沖擊荷載應(yīng)該作適當(dāng)折減，具體折減量無法準(zhǔn)確計算，只能通過試驗測量得到

20、。l 內(nèi)力分析（詳細(xì)分析結(jié)果見附件表格）結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖如下頁所示，從中不難發(fā)現(xiàn)：1. 在抵抗傾覆力矩時，柱的作用有如弦桿，向側(cè)向荷載處柱受拉，背側(cè)向荷載處柱受壓。2. 在抵抗水平剪力時，斜桿與梁的作用有如腹桿；斜桿受拉或受壓，取決于其傾斜的方向。3. 由于體系為完全三角形組成的桁架（中心支撐系），橫梁主要受軸向力；因為側(cè)向荷載是隨機(jī)加載，故支撐既可能承受壓力，也可能承受拉力，故支撐按照更不利的受壓情況設(shè)計。4. 合成變位圖為彎曲與剪切曲線的組合，其中彎曲變位起控制作用。軸力圖 剪力圖彎矩圖 變形圖l 承載能力估算側(cè)向荷載傾覆控制由參考文獻(xiàn)【1】，對結(jié)構(gòu)整體抗傾覆能力進(jìn)行分析，對基礎(chǔ)端部取矩可知：由

21、臨界狀態(tài)可知令偏心矩在（單位：mm）范圍內(nèi)移動易知側(cè)向荷載限值在（單位：n）。適當(dāng)折減后估計約100n（靜載）。側(cè)向荷載側(cè)移控制由于受節(jié)點連接剛性程度、加載模式等因素影響，無法準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)整體剛度，經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)加載試驗，估算為：1) 靜荷載 100n2) 沖擊荷載 60nl 破壞形式分析由于各桿強(qiáng)度依據(jù)sap2000 v9.04分析計算選配，而結(jié)點強(qiáng)度又有保證，而且設(shè)計時已考慮到失穩(wěn)問題，并已加以預(yù)防，所以估計在承載的情況下，基本不可能出現(xiàn)任何形式的破壞。估計當(dāng)承載繼續(xù)增大很多時，可能發(fā)生局部屈曲構(gòu)件破壞。參考文獻(xiàn)【1】結(jié)構(gòu)概念和體系 （美）林同炎 斯多臺斯伯利sd著 高立人等譯 北京:中國建

22、筑工業(yè)出版社,1999.2【2】高層建筑設(shè)計 (美)高層建筑和城市環(huán)境協(xié)會編著，羅福午等譯 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.7【3】高層建筑鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計 （美）本格尼s塔拉特納著 羅福午等譯 北京:國建筑工業(yè)出版社,1999.11【4】建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及案例 羅福午編著 北京:清華大學(xué)出版社,2003【5】高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 方鄂華編著 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.9【6】高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 方鄂華編著 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003【7】豎向建筑結(jié)構(gòu)手冊 schuellerwolfgang著 袁勇譯 北京:中國建筑工業(yè)出版,2002.12【8】建筑形式構(gòu)成方法解

23、析 戴儉編 天津:天津大學(xué)出版社,2002.8【9】塔桅結(jié)構(gòu) 王肇民，peil.u編 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1989.12【10】現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 趙西安編 北京:科學(xué)出版社,2000.1【11】土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 張炳華，候昶編著 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1998.3【12】結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 江愛川編著 北京:清華大學(xué)出版社,1986.12【13】材料力學(xué)（） 孫訓(xùn)芳，方孝淑，關(guān)來泰編著 北京：高等教育出版社，2002.8【14】結(jié)構(gòu)力學(xué)（） 龍馭球，包世華，匡文起，袁駟編著 北京：高等教育出版社，2002.7附 件 1table: joint displacements節(jié)點位移jointout

24、putcasecasetypeu1u2u3r1r2r3texttexttextmmmmmmradiansradiansradians81deadlinstatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000082deadlinstatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000083deadlinstatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000084deadlinstatic0.0000000.0000000.0000000.0000

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