西北地區(qū)大學生結構設計邀請賽賽題

1、附件：2014全國大學生結構設計競賽賽題三重檐攢尖頂仿古樓閣模型制作與測試1、選題背景中國木結構古建筑在世界建筑之林中獨樹一幟、風格鮮明，具有極高的歷史、文化及藝術價值。其中樓閣式古建筑以其優(yōu)美的造型和精巧的設計聞名于世，已成為中國古建筑的典型象征。據(jù)歷代營造史料記載，樓與閣原有明顯區(qū)別，但后來因其均為復層建筑，故通稱樓閣，其中比較著名的有武漢黃鶴樓、岳陽岳陽樓、南昌滕王閣、煙臺蓬萊閣以及西安鐘樓等。我國古代樓閣構架形式多樣，屋蓋造型豐富。在廣泛調研及征求意見的基礎上，本次競賽的模型形式確定為三重檐攢尖頂仿古樓閣。該類古建的一個現(xiàn)存實例為明代所建的西安鐘樓，如圖1所示?；诋斍叭蛞堰M入巨震期

2、這一工程背景，本次競賽引入模擬地震作用作為模型的測試條件，這對于眾多現(xiàn)存同類古建的抗震修繕與補強具有現(xiàn)實的科學價值和工程意義。圖1西安鐘樓2、競賽模型競賽模型采用竹質材料制作，包括一、二、三層構架及一、二層屋檐，其構造示例如圖2(a)所示。模型柱腳用熱熔膠固定于底板之上，底板用螺栓固定于振動臺上。模型制作材料、小振動臺系統(tǒng)和模型配重由承辦方提供，底板用螺栓固定于振動臺上，具加載安裝形式見圖2(b)03、模型要求3.1 模型構造3.1.1 總體規(guī)定3.1.2 中所涉及各種尺寸，如無特殊說明，允許誤差均為mm。3.1.3 一至三層樓面標高(由底板上表面量至各樓層梁的上表面最高處)分別為0.24m、

3、0.42m、0.60m。3.1.4 構的外輪廓不能設置任何蒙皮。3.1.5 豎向構件布置要求：(1)結構豎向構件必須是鉛直柱，不允許使用斜向支撐與拉條。(2)各層的轉角處必須設置柱，柱位如圖3(a)所示。且各層柱在底板上的投影必須分別位于圖3(b)、(c)、(d)所示的陰影范圍內。(3)門窗洞口范圍如圖4所示。門窗洞口沿其所在平面法線方向在結構內部的任意投影范圍內不能設置構件，如圖5所示重型安裝底板底板爐檢安裝孔(a)各層角柱位置(b)第一層柱投影范圍(c)第二層柱投影范圍(d)第三層柱投影范圍5圖3柱布置范圍立面圖1-12-23-3圖4門窗洞口示意圖(圖中陰影部分為門窗洞口)圖5模型內部凈空

4、要求(圖中陰影部分不得設置構件)3.1.6 水平構件布置要求(1)第三層柱頂沿外輪廓線應有橫梁連接，且應符合本賽題3.2部分對屋蓋配重安裝的要求。(2)屋檐布置要求一、二層屋檐分別如圖6所示;屋檐屋脊曲線段詳圖如圖7所示;一、二層屋檐屋脊曲線段的上邊緣均為半徑135mm,弧長160mm的圓弧。一、二層屋檐屋脊曲線段分別安裝在二、三層轉角柱處。一層屋檐屋脊曲線段上邊緣起點和終點的標高均為270mm。二層屋檐屋脊曲線段上邊緣起點和終點的標高均為450mm。屋檐的立面標高如圖8所示。(a) 一層屋檐俯視瑋口與房普制德席 二民喏口不或噂梧口一事費連接惶(b)二層屋檐俯視(c) 一層屋檐正立面(d)二層

5、屋檐正立面圖6模型屋檐3.2 配重及安裝要求模型所加配重為銅條與銅球，銅條截面寬*高的尺寸均為13mm*10mm,并以寬度為13mm的面與結構相粘結；銅球直徑為25mm。第一、二層屋檐配重質量分別為2.4kg和1.8kg,第三層屋蓋配重總質量為4.0kg。3.2.1 配重尺寸(1) 一、二層屋檐一、二層屋檐質量塊包括屋檐屋脊曲線段和屋檐檐口直線段兩部分。安裝在屋檐屋脊曲線段上的配重為下邊緣半徑135mm,弧長180mm的銅條，下邊緣外挑端部在鉛直方向固結三個串聯(lián)在一起的銅球，安裝在一、二層屋檐檐口直線段的配重銅條分別長180mm和120mm。(2)屋蓋屋蓋配重由屋頂和屋檐兩部分組成，屋蓋配重如

6、圖9所示。(a)屋頂為高90mm,底面邊長120mm*120mm的正四棱錐。9(b)屋檐屋脊曲線段為下邊緣半徑135mm,弧長130mm的銅條，屋檐檐口直線段為134mm的銅條。3.2.2 安裝要求一、二層屋檐和屋蓋的安裝位置如圖10所示。配重及模型用熱熔膠連接，要求相應部位尺寸應貼合，最大脫空間隙不得超過3mm。攢尖頂屋蓋設有與第三層頂部連系橫梁相粘結的銅條支座(如圖11所示)，用以將攢尖頂屋蓋固定于第三層的柱頂橫梁之上。L4 Nr2ma。手(a)屋蓋平囿 5號(c)屋蓋45°側立面圖9屋蓋配重圖- / _: 呂? 1L 120 1L i(b)屋蓋立面:r 7也一他Hue(d)屋蓋

7、屋脊曲線段詳圖(a) 一層屋檐配重平面位置oHi(b)二層屋檐配重平面位置(c)配重安裝的立面位置圖10配重安裝圖17圖11攢尖頂屋蓋安裝支平面圖4、加載設備介紹結構模型采用第二代改進型WS-Z30小型精密振動臺系統(tǒng)進行模擬水平地震作用的加載，考察模型承載力。振動臺系統(tǒng)的主要組成部分及相關參數(shù)信息如下：水平振動臺：型號WS-Z30-50（如圖12）指標：水平臺尺寸：506X380X22mm,荷載：30kg,重量：11.5kg,材料：鋁合金LY12。功能：承載實驗模型。激振器：型號：JZ-50（如圖13）指標：工作頻率：0.53000Hz,最大位移：±8mm,激振力：500N,重量：2

8、8kg功能：使水平臺振動。功率放大器：型號：GF-500W指標：失真度：1%,噪聲：10mV,輸出阻抗：0.5Q,工作頻率：DC10000Hz,輸出電流：25A,輸出電壓：25V,功率：500VA，供電電壓：220VAC，尺寸：44x48x18cm,重量：18g功能：為激振器提供輸出功率。圖12水平振動臺和激振器圖13功率放大器5、加載方法與失效評判5.1 輸入地震波加載所用的波形文件，由組委會后續(xù)以附件形式補充提供。5.2 模型失效評判準則模型在進行加載時，出現(xiàn)下列任一情形則判定為模型失效，不能繼續(xù)加載。同時將上一次加載級別視為該模型實際所通過的最高加載級別，并作為模型效率比計算的依據(jù)(參見

9、本賽題第8部分：評分標準)。模型中的任一構件出現(xiàn)明顯斷裂或節(jié)點脫開(2)配重脫落(包括配重條一端沿長度1/3部分脫離其支撐構件而另一端懸掛于結構上情況)。(3)第三級加載完畢：較加配重前，第一層屋檐的屋脊曲線段末端和檐口直線段中點沿鉛直方向下?lián)隙瘸^10mmo第一層屋檐變形測量點的具體位置如圖14所示90W7圖14第一層屋檐變形測量點位置圖6、模型材料競賽期間，承辦方為各隊提供如下材料及工具用于模型制作，不得擅自使用其它材料（1）竹材：用于制作結構構件。竹材規(guī)格及數(shù)量見表1。表1竹材規(guī)格及數(shù)量竹材規(guī)格竹材名稱數(shù)量1250*430*0.50mm本色側壓雙層復壓竹皮2張1250*430*0.35m

10、m本色側壓雙層復壓竹皮2張1250*430*0.20mm本色側壓單層復壓竹皮2張注：竹材力學性能參考值：彈性模量1.0X104MPa,抗拉強度60MPa。（2）502膠水，8瓶（規(guī)格25克），用于模型結構構件之間的連接。（3）熱熔膠：用于配重與模型的固定及模型與底板的連接。（4）模型安裝底板：底板材料為竹制，厚度20mm,長、寬分別為400mm和400mm。底板上除預設孔洞外不得另行鉆孔。底板孔洞標注圖參見圖3（a）。（5）制作工具：美工刀（3把），1米鋼尺（1把），三角板（2塊），圓規(guī)（1把），砂紙（10張），錘刀（1把）、剪刀（1把）、手套（3付）、簽字筆（1支）、鉛筆（1支）、橡皮（1塊

11、）。另外，公用砂輪機等由承辦方提供。7、模型現(xiàn)場安裝、加載及測試步驟7.1 賽前準備（ 1）對底板及配重進行稱重，得到質量M1（單位：克）；（ 2）核查模型尺寸是否滿足制作要求；（ 3）提交模型前，用熱熔膠將模型與底板粘結牢固；（ 4）加載測試前，用熱熔膠將配重與模型粘結牢固，時間不超過10分鐘，該步驟按抽簽比賽順序提前2隊開始；5）稱量包含配重與底板的模型質量M2（單位：克）；（6）以上過程由各隊自行完成，賽會人員負責監(jiān)督、標定測量儀器和記錄。如在此過程中出現(xiàn)模型損壞，則視為喪失比賽資格。7.2加載及測試步驟（1）得到入場指令后，迅速將模型及底板運進場內，安裝在振動臺上，緊固螺栓，準備進行加

12、載。賽場內安裝時間不得超過3分鐘。（2）參賽隊代表進行2分鐘陳述，之后評委提問，參賽隊員回答問題。3）依次進行三級加載，每次加載完成后依據(jù)5.2的失效評判準則評價模型是否失效。八、評分標準8.1 總分構成結構評分按總分100分計算，其中包括：（1） 計算書及設計圖10%（共10分）（2） 結構選型與制作質量10%（共10分）（共5分）（3）現(xiàn)場表現(xiàn)5%（4）加載表現(xiàn)評分75%（共75分）8.2 評分細則A.計算書及設計圖（1）計算內容的完整性（共6分）（2）圖文表達的清晰性、規(guī)范性（共4分）注：計算書要求包含：結構選型、結構建模及主要計算參數(shù)、受荷分析、節(jié)點構造、模型加工圖（含材料表）。B.結構選型與制作質量（1）結構合理性與創(chuàng)新性（2）模型制作美觀性C.現(xiàn)場表現(xiàn)（1）現(xiàn)場陳述（2）現(xiàn)場答辯D.加載表現(xiàn)評分第i參賽組模型在加載環(huán)節(jié)的表現(xiàn)將根據(jù)其效率參數(shù)比E的計算如式（1）所示：L100Ei-LT-（共6分）（共4分）（共3分