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环亚集团历届结构设计竞赛优秀作品选登(高

时间:2020-08-08 14:53

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  历届结构设计竞赛优秀作品选登(高层结构设计) 1、设计说明书 缆约 洪磊、谭松林、戚雯 1.1 方案构思 李白在《宣州谢朓楼饯别校书叔云》中有过“俱怀逸兴壮思飞,欲上青天揽明月”的豪 情气概,满怀豪情逸兴,飞跃的神思像要腾空而上高高的青天,去摘取那皎洁的明月。我们 也希望,现在的科技能够让太白先生离摘月更近一点。揽缆,月约,这给了我们无尽的启示, 由此得来“缆约揽月”之创作,极力体现缆的作用和极致简约的模型风格。 高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载,在地震区还要抵抗地震作用。在较低的建筑结构中, 往往竖向荷载控制着结构设计;随着建筑高度的增大,水平荷载效应逐渐增大;在高层建筑 结构中,水平荷载和地震作用起着决定性作用。荷载效应最大值(轴力Ν 、弯矩Μ 和位移△) 可由图 1-1 所示简图得到: 式中 W - 建筑每米高度上的竖向荷载; q - 水平均布荷载;H - 建筑高度;El - 建 筑总体抗弯刚度(E 为弹性模量,l 为惯性距)。 图 1-1.荷载内力和位移 图 1-2.结构内力、位移与高度的关系 如图 2,随着建筑物高度的增大,位移增加增快。因此,在高层建筑结构设计时,不仅 要求结构具有足够的强度,而且还要求有足够的刚度和良好的抗震性能。 1.2 结构选型 1.2.1 整体选型 综合以上高层建筑特点,并结合国内外大量高层建筑实例参考并改进后最终确定了三菱椎的 整体结构样式如图 1-5,立面如图 1-6,侧面如图 1-7,底面如图 1-8。 图 1-5 图 1-6 图 1-7 图 1-8 1.2.2 平面形式 高层建筑平面形式要求: 外形简单、受力较好、边长较短、规则、对称、材料用量较少、减小偏心; 常见形式有如下图: 图 1-9 兼顾材料性能、用量方面的要求,以及高宽比(H/B5)的限制选择三角形底面中间加 Y 型横 撑加固,如图 1-9。 1.3 材料及杆件试验 1.3.1 材料力学特性 表1-1 .230 克白卡纸弹性模量 名称种类 230 克白卡纸 名称类型 层厚(mm) 230 克白卡纸 0.3 层数 弹性模量(MPa) 1 56.9 2 148.2 表 1-2.230 克白卡纸极限应力 拉应力(N/mm2) 压应力(N/mm2) 备注 受压计算时需考虑 22.2 7.0 长细比对稳定的影响 表 1-3.蜡线 225 232 注:以上资料由大赛组委会提供 杆件试验 纸作为结构材料,从上面的力学性能指标可以看到,抗拉强度高、抗压强度较低,但是 如果采取合理的截面形式,仍然可以达到理想的抗压效果。试验比较圆形截面杆,矩形截面 杆,三角形截面杆,箱形截面杆,最终选定较易制作且受力和材料用量都满足设计要求的矩 形截面杆。 轴心受压实验 受压杆件结构成型后直接进行破坏性试验,得极限抗压强度约 200N,符合计算的极限轴心 受力值。考虑长细比对稳定的影响,据欧拉公式 Pcr ? ? 2 EI min L2 知杆件临界压力与杆件 长细比密切相关,如下图: P P ε RR A 21 Oε 1Pc B P P r 图 1-10 图 1-11 图 1-12 模型本身并不受弯,但须考虑压杆失稳即长细比对压杆稳定的影响。杆件长度即 L 已经确 定,故只能改进截面设计以减小惯性矩。再增加横梁和改进加载方式以充分满足承载要求。 结论:所做的杆件完全可以满足承载力要求,所以选用这组杆件为我们的标准构件。 1.4 查混规附录(见附件 1)知 15 个长 350、直径 25 的钢筋质量约 20kg 1.4.1 计算 圆形截面惯性矩 I ? ?d 4 64 薄壁圆环截面惯性矩 I ? ?r 3? 矩形截面惯性矩 I ? bh3 12 三角形截面惯性矩 bh 3 I? 36 制作工艺 白卡纸、白乳胶和蜡线的材料特性决定模型设计需要精细的手工制作,计算出每根杆件 的截面、长度后,再人工一层一层包裹,白乳胶兑水以加快粘合进度并有效减轻杆件自重, 蜡线均布于各受力集中点和关键节点。 图 1-13 图 1-14 1.5 特色处理 1.5.1 蜡线使用 由于本次竞赛允许蜡线作为结构,故在结构的很多复杂节点以及受拉力较大的主要结 构,都采用蜡线 接头轻便处理 主要杆件接头为便于受力并兼顾美观采用粘接和内绑扎处理。 1.5.3 预张拉 整体结构尽量做到简单对称并减轻结构重量,考虑到蜡线线伸长率较大对主要蜡线进行 了预张拉,使其在受力后的变形与结构整体变形相协调。 1.5.4 Y 型底座 接口强化粘接,内部用蜡线穿越绑扎以抵抗水平面的巨大拉应力。 1.5.5 顶部接头 顶部接头处受力集中(三向压力作用),在两主杆件中间穿孔设实心小圆杆支撑,可以 较好的抵抗竖向力作用且可以抵消部分水平荷载保护杆头不被压坏。 2、设计计算书 2.1 计算模型 根据材料力学特性分析和相关杆件的实验数据,利用结构分析软件 SAP2000 建立了计 算模型,考虑到靠粘结和绑扎工艺制作的节点无法达到刚性的要求,建模时,节点仍按铰接 考虑。计算模型如图 1-15: 2.2 荷载分析 图 1-15 设计加荷方式 1#加载点 分三次挂载至 30N 40N 50N 2#加载点 一次加满 5N 2.3 内力计算 底座最大允许荷载为 15 个长 350、直径 25 的钢筋质量,约 3.85 kg/m * 15*350 mm * 0.001=20.21 kg 约合 202 N,一次全固定。 内力分析: 加载变形如图 1-16,主杆轴向力如图 1-17,主杆扭矩如图 1-18,截面剪力如图 1-19, 截面弯矩如图 1-20,绳索拉力如图 1-21。 图 1-16 图 1-17 图 1-18 图 1-19 图 1-20 图 1-21 2.4 承载能力估算 2.4.1 加载上限估算 按照组委会给的压底座钢筋规格和数量(15 个长 350、直径 25 的钢筋),估算出的极 限压力约 200 N,按我们设计的加载方式,如图 模型 支架 1# 加 载 点 挂载 50N 钢筋横向放置 1 根 钢筋竖向放 置 2 排各 7 根压住横放 钢筋 2#加载点 挂载 5N 175N 图 1-22 可以估算出结点 如图的极限竖向力约 175 N,由此得出 1#加载点极限拉力 50 N, 2# 加载点 5 N. 结构是按 1000 mm 处加载点 50 N;500 mm 处加载点 5 N设计的。由于构件一开始就 已经进行了折减,承载力应有相应的提高,同时由于构件本身在制作过程中也会有瑕疵,承 载力可能会相应减少,故总体承载力应大致符合设计要求。 2.5 破坏形式分析 1、蜡线变形过大导致主体结构倾覆破坏 2、主杆制作缺陷出现明显受力弱面导致主杆压坏 3、顶部接头损坏 4、其他结构破坏 【参考文献】 【1】结构力学(Ⅰ、Ⅱ) 龙驭球,包世华,匡文起,袁驷编著 北京:高等教育出版社, 【2】结构概念和体系(美)林同炎 斯多台斯伯利·S·D 著 高立人等译 【3】材料力学(Ⅰ、Ⅱ) 孙训芳,方孝淑,关来泰编著 北京:高等教育出版社 【4】房屋建筑工程—设计与施工 彭伟,黄云德著 成都:西南交通大学出版社 【5】混凝土结构设计原理 李乔主编 北京:中国铁道出版社 【6】钢结构设计原理 彭伟主编 成都:西南交通大学出版社 【7】《高层钢结构建筑设计资料集》 【8】《混凝土结构设计规范》 Code for design of concrete structures 【9】《高层建筑结构设计》 山东大学 土建与水利学院 薛云冱 【10】《唐诗鉴赏辞典》 上海辞书出版社