荣获第八届全国大学生结构设计竞赛二等奖

第八届全国大学生结构设计竞赛

设计说明

模型实物图

材料性能

竹材是典型的平面正交异性材料。忽略厚度方向的影响，顺纹方向与横纹方向构成两个正交面。参考典型的平面正交异性材料（如白卡纸），顺纹方向的抗拉强度较横纹方向大30%以上，横纹方向的延性是顺纹方向的2至3倍。因此有必要合理选择面纹路方向，采用顺横搭配的组合截面形式。

根据赛前相关试验表明：502胶水粘接面抗剪强度远大于顺纹竹材抗拉强度，因此可不考虑搭接处节点强度。由于竹材厚度有限，采用对接方式连接时需要考虑连接强度。从实际工程角度出发，可用构造措施来保证。

结构选型

竞赛赛题要求参赛队设计并制作三重檐攒尖顶仿古楼阁模型，并进行加载测试。本次赛题的荷载是事先确定的固定值或指定的荷载形式，是在给定的水平地震作用下进行加载。考虑各杆件的受力形式，我们将受压的杆件做成箱型，保证杆件在受压状态下有较大的整体稳定性，且减轻结构自重；将受弯的杆件做成实心长方体，保证杆件在受弯状态下有明显的抗弯能力。考虑是地震作用，我们尽量减少节点的个数，或者对节点强化。

总之，本模型的设计理念是在保证结构整体稳定性的前提下，合理选取结构体系和构件截面形式，同时运用较少的材料，保证结构简洁实用、线条清晰，获得高质量模型，以达到预期的效果。

节点设计

对于各层柱与梁连接处，我们将柱端部包有卷筒，再将其切成相应角度，将梁塞入，用502胶水紧密粘接；外围挑檐四角处将各部分削成一定角度粘接在一起，再涂上碎竹皮纸粉末，进一步加固；对于四角挑檐与柱的连接，我们在制作过程中就将它们粘接成一个整体，并在底部添加牛腿。

模型制作

制作工序

（1）模型下料；

（2）模型杆件的制作（十六根柱，一、二、三层柱及挑檐部分）

（4）底板的安装；

（5）材料的最后整理、打磨。

模型制作尺寸及材料表

图3 各层角柱位置 图4 一层平面图

图5 二层平面图 图6 三层平面图

图7 立面图

材料用表

表1 模型主要构件表

编	截 面 形 式	截面面积(mm)	长度 (mm)	材料
①	矩形	10.00	120.000	0.350
②	矩形	18.00	84.000	0.350
③	矩形	21.00	180.000	0.350
④	矩形	21.00	180.000	0.350
⑤	矩形	15.00	180.000	0.350
⑥	矩形	10.00	120.000	0.350
⑦	矩形	15.00	85.000	0.350
⑧	矩形	12.00	180.000	0.350
⑨	箱形	36.00	240.000	0.350

表2 材料用量表

序	材 料 规 格	数量（张）
1	长1250mm×宽430mm×厚0.20mm 竹板	0.5
2	长1250mm×宽430mm×厚0.35mm 竹板	1
3	长1250mm×宽430mm×厚0.50mm 竹板	0.5

建模结构

有限元模型建立

1、计算假定

1）假定竹质材料连续，均匀；

2）立柱构件从屋盖至底部连续，其结点为刚结；屋脊竹条主要承担拉力；

3）安装底板与模型间采用热熔胶连接；安装底板对模型的约束相当于固定端；

4）模型结构的自重考虑在内；

5）采用立柱与支撑组成的整体空间结构建模分析。

2、结构计算模型

根据以上假定，取构件的形心线为计算轴线，利用MIDAS/GEN 软件建模分析，模型立柱采用采用一般等截面/变截面三维梁单元模拟，支撑构件采用梁柱单元模拟，铜条以及铜球的荷载通过屋脊作用于结构上，结构计算模型见图6。

具体建模分析过程如下：

1）定义材料属性和截面特性；

2）几何建模：

（1）定义节点，通过输入坐标定义节点；

（2）建立单元，通过连接节点，形成单元；

（3）定义单元属性；

（4）加支座约束，给底层节点施加x、y、z方向的位移约束，顶层节点施加x、y、z方向的转角；

（5）施加竖向荷载;

（6）运行分析；

（7）提取分析结果。

荷载受力图如下：

图八 受力简图

主要计算参数

1、材料参数

竹材弹性模量1.0×104MPa；抗拉强度60MPa。

2、构件截面尺寸

模型立柱、横梁采用矩形截面与三角形截面，主要构件截面尺寸如下：

1）立柱

一层立柱为6mm×6mm截面的空心箱型构件，杆长240mm。采用0.35mm规格竹皮纸做杆件外皮，用1m的钢尺统一下料，舍弃节点多的材料，中间用0.5mm竹皮纸做成肋加在空杆件中间，形成的心杆件。经过外层包裹与砂纸打磨，外观更加好看。

二层三层立柱由0.5mm竹皮纸逐层粘合成7mm×4mm的实心长方体构件。

2）横梁

采用0.5mm竹皮纸逐层粘合成6mm×4mm的实心长方体构件。

3）屋脊拉杆

5mm等边三角形截面；采用0.35mm规格材料，折叠成等边三角形，外层包裹0.2mm竹皮纸，形成整体。

另为增加薄壁构件的截面稳定性，内部增设加劲肋；竹皮原材料具有节点瑕疵，对于原材料中弱点采取加强措施。

受荷分析

静载与动载内力计算

屋脊上铜球的重量转化为集中荷载，铜条对结构施加的作用转化为线荷载，另外还需考虑地震作用。

1. 铜球及铜条对结构的作用

通过屋檐配重平面位置分析，三重檐攒尖顶仿古楼阁模型受力简图如图8所示。通过MIDAS有限元分析模型的内力图如下：

图9 剪力图

图10 弯矩图

弯矩图放大以后细部构造显示如下：

图11 一层横梁细部弯矩图

图12 二层斜梁细部弯矩图

三重檐攒尖顶仿古楼阁模型受到铜条及铜球的自重发生的位移变形如图：

图13 位移变形图

II 地震对模型的作用

一级地震波

二级地震波

三级地震波

地震反应谱线如下图所示：

图14 地震作用谱线

截面强度及稳定性验算

1. 静载

1、立柱

截面尺寸6mm×6mm，由内力分析可知立柱为压弯杆件：

另在斜撑内采用局部加肋等构造措施以满足薄壁构件局部稳定的要求。

II 地震波的作用

一级地震波

二级地震波

三级地震波

立柱、支撑制作图

一层立柱为6mm×6mm截面的空心箱型构件，杆长240mm。采用0.35mm规格竹皮纸做杆件外皮，用1m的钢尺统一下料，舍弃节点多的材料，中间用0.5mm竹皮纸做成肋加在空杆件中间，形成的心杆件。经过外层包裹与砂纸打磨，外观更加好看。

二层三层立柱由0.5mm竹皮纸逐层粘合成7mm×4mm的实心长方形构件

屋脊用的截面为4mm的等边三角形。为保证杆件外观整齐，折叠时用美工刀轻轻划过，再用胶水胶合。为确保外观统一，用0.2mm竹皮纸再外包一层，不仅美观，杆件强度亦有所提高。立柱与横梁构件截面尺寸见下图。

图15 一层立柱截面尺寸图

图16 横梁截面尺寸图

图17 屋脊拉杆截面尺寸图

计算结论

根据以上计算，本方案使用桁架体系的竹制结构，使用MIADS/GEN有限元计算软件进行了结构的静载和动载结构分析，得出以下结论：

（1）静载作用下，模型变形很小，结构可以保证安全，节点传力途径明确，内力分布合理，各构件满足强度及稳定性要求。

（2）查看了各工况下结构的变形图和变形动画，均表现为竖向四根立柱承受大部分荷载，表明结构刚度在平面上分布合理；对各工况下每层位移及最大位移角进行了分析，结构上下层位移最大值差异不大，表明结构竖向刚度分布合理，满足高跷结构的使用要求。

参考文献

[1] 湖南大学编著等. 建筑结构.中国建筑工业出版 , 2006.

[2] 李廉琨.结构力学第5版，北京：高等教育出版 ，2010.

[3] 中华人民共和国国家标准, 钢结构设计规范GB50017-2003[S].

[4] 北京迈达斯技术有限公司. MIADS/GEN分析与设计原理[DB/CD]. 北京: 北京迈达斯技术有限公司, 2010.

[5] 孙训方, 方孝竖, 关来泰. 材料力学(Ⅰ、Ⅱ). 北京: 高等教育出版 , 2002.

[6] 沈祖炎.钢结构基本原理.北京:中国建筑工业出版 , 2005.

[7] 樊承谋,王永维,潘景龙.木结构.北京;高等教育出版 ,2009.