全國第五屆大學生結構設計大賽參賽作品三角
之巔帶屋頂水箱竹質四層房屋結構設計說明書
參賽學校：蘭州交通大學
參賽作品名：三角之巔
參賽隊員：袁道雲果曉龍蔡魏巍
指導老師：張家瑋林夢凱
第五屆全國大學生結構設計競賽組委會
二零一一年十月
目錄1 結構選型 (1)
1.1作品** (1)
1.2作品名稱——三角之巔 (2)
1.3 設計理念 (2)
2 方案設計 (2)
2.1材料效能 (2)
2.2 結構選型 (3)
2.3節點設計 (3)
3 模型製作 (3)
3.1製作工序 (3)
3.2 模型加工加工圖紙及材料表 (3)
4 計算分析 (7)
4.1計算假定 (7)
4.2 計算單元 (7)
4.3 計算結果 (9)
4.4 結論 (16)
5 鐵塊分布詳圖及水箱注水 (16)
5.1 鐵塊分布重量及詳圖 (16)
5.2 水箱注水尺寸及重量 (17)
1結構選型
1.1作品**
圖1作品**
1.2作品名稱——三角之巔
在同一平面內，不在同一條直線上的三點順次連線後就構成了三角形。古典和現代純數學思想認為，建立在**率基礎上的最完美的幾何圖形只有三種：一種是由數個大和小**三角形組成的平面五角星形，一種是由十個**三角形組成的平面十邊形，一種是由十二個平面五角星形所組成的正十二面體。
參天大樹，正是來自於深扎大地的根與幹構成的三角形的支撐。最早建造於西元前2023年的古埃及金字塔，基座為正三角形或多個三角形組成，側面由多個三角形或接近三角形的面相接而成。古埃及金字塔以其穩定、堅固、耐壓、神秘、恆久，代表著古代人類的智慧型結晶。
在所有的平面圖形中，三角形是最穩固圖形。
本結構利用三角形的穩定性，立面上採用六個倒正三角形相間的形式，平面上各層橫截面中心重合，形成穩定的三角形梁柱體系。
1.3 設計理念
「穩如泰山，輕如鴻毛」是我們設計的基本原則，質輕、簡約、強度、剛度、穩定性、以最輕的質量承受最大的荷載是我們設計的根本目標。
2方案設計
2.1材料效能
竹材是典型的平面正交異性材料。忽略厚度方向的影響，順紋方向與橫紋方向構成兩個正交面。參考典型的平面正交異性材料（如白卡紙），順紋方向的抗拉強度較橫紋方向大30%以上，橫紋方向的延性是順紋方向的2至3倍。
因此有必要合理選擇截面紋路方向，採用順橫搭配的組合截面形式。
根據賽前相關試驗表明：502膠水粘接面抗剪強度遠大於順紋竹材抗拉強度，因此可不考慮搭接處節點強度。由於竹材厚度有限，採用對接方式連線時需要考慮連線強度。
從實際工程角度出發，可用構造措施來保證。
熱熔膠的力學性質與橡膠類似，彈性模量低，在鐵塊與竹製結構的相互作用中可以起到隔振緩衝的作用，尤其是水箱底面粘接的熱熔膠可以看做一塊阻尼器。熱熔膠有很好的徐變效能，不占用模型本身的質量，參考橡膠隔振裝置的設計理念，可以在各個樓層設定隔振裝置。
2.2 結構選型
本結構利用三角形的穩定性，立面上採用六個倒正三角形相間的形式，平面上各層橫截面中心重合，豎直方向的剛度均勻變化，通過剛性橫樑聯成整體，在空間上可以提高結構體系的整體性，形成穩定的三角形梁柱體系，整個結構受到荷載時，主要承受軸力，彎矩較小，結構整體受力均勻，可以最大限度的發揮材料效能，在滿足賽事規定的載入鐵塊質量的範圍內可以盡量減輕結構自重，節省材料，符合輕質高強的設計理念。
2.3節點設計
對個層面各梁距梁末端5mm位置進行四面彎折，用502膠水將其粘結在柱子上。在節點表面用502膠水將折好的竹條粘結在各節點位置，並在四層承載力較大的梁的下部加腋，同時在四層懸臂梁與柱接觸的位置加橫向竹條進行加固。
圖2 節點構造圖
3模型製作
3.1製作工序
（1）模型下料；
（2）模型桿件的製作（六根柱，
二、三、四和頂層梁）；
（3）空間結構安裝；
（4）底板的安裝；
（5）材料的最後整理、打磨。
3.2 模型加工加工圖紙及材料表
整個模型的平面圖和立面圖見圖3～9，桿件材料表見表1。
圖3 正立面圖
圖4 a向立面圖
圖5 底層平面圖圖6 二層平面圖
圖7 三層平面圖
圖8 四層平面圖
圖9 頂層平面圖
表1 材料表
4計算分析
4.1計算假定
（1）材質均勻，連續；
（2）柱腳與底板連線為固接；
（3）梁柱為剛接。
4.2 計算單元
採用大型通用有限元軟體ansys中建立了該結構的幾何模型並劃分網格形成有限元模型。在負載重量和水箱及水體作用下進行了結構的靜力分析，採用地****波
進行了結構的瞬態分析。
梁單元beam188
為減輕重量，房屋結構採用框架杆繫結構，
主體桿件採用2節點的三維梁單元beam188進行
模擬，該單元基於鐵摩辛柯梁理論，適合細長梁
和適度深梁的計算分析，且能考慮剪下變形的影
響。該單元支援截面特性，可通過方向定位節點
控制梁的橫截面方向。圖1給出了該單元的單元
形態。桿件之間的鏈結介於交接和剛接之間，當
竹製桿件採用較好的工藝粘接時較為牢固，在計
算中採用剛性鏈結。
空間杆單元link180
在框架結構的部分外立面採用橫截面尺
寸很小的桿件，它只承擔軸向拉荷載，且和主
梁柱的鏈結較弱，這部分桿件採用空間杆單元
link180模擬。link180是三維軸向拉壓單元，
有三個線自由度。該單元可模擬只承受張拉的
繩索，支援大變形、大應變等特性。
三維容器流體單元fluid80
當水箱中的水未裝滿水箱時，在**激勵
下會發生液面的晃動，這種晃動動結構的動態響應存在影響。三維容器流體單元fluid80是結構實體單元solid45的改進單元，可用於計算無流速流體的靜水壓力和液面晃動。它採用在自由液面表面附加彈簧的形式來處理液面的晃動，可模擬流固耦合。
圖2是fluid80單元的單元形態。
殼單元shell181
shell181適用於從薄到中等厚度的殼結構，該單元每個節點有六個自由度，也可退化為三個線自由度。該單元具有強大的非線性功能，並具有截面資料定義。在本計算中，採用該單元模擬樓頂的水箱和建築結構的底座。
圖三是shell181單元的形狀。
集中質量單元mass21
mass21是空間質量單元，由一
個節點生成。該單元具有6個自由
度：三個節點座標x、y、z方向平動
質量和三個繞節點座標x、y、z的轉
動慣量。在設計計算中採用mass21
單元模擬鐵塊的配重。在水箱充滿
液體時，由於頂部屬於高頻振動，而水的壓縮性很小，此時沒有波浪，可以採用集中質量單元模擬滿水水箱。
流體裝滿箱體，振動中流體的晃動極小，故將其直接處理成績中質量。網格劃分後有限元模型包括401個beam188單元和四個質量單元mass21。
4.3 計算結果
圖10 滿載狀況下ux
圖11 滿載狀況下uy
圖12 滿載狀況下uz
圖13 滿載狀況下單元座標系z方向剪力圖
圖14 滿載狀況下單元座標系y方向剪力圖
圖15 滿載狀況下單元座標系y方向彎矩圖
圖16 滿載狀況下的軸力圖
圖17 滿載狀況下的軸應力
圖18 滿載狀況下單元座標系+z方向彎矩圖
圖19 滿載狀況下單元座標系+y方向彎矩圖
圖20 位置圖
ab c
df e
圖21 a點y向****激勵荷載作用下的位移響應曲線
圖22 a點在y向****激勵荷載作用下的加速度響應曲線各層在y向****激勵荷載作用下的位移響應在-3.44～2.19厘公尺之間，各層在y向****激勵荷載作用下的加速度響應在-8.
9～9.78 m/s之間。
從計算結果來看，**激勵大的時刻結構的響應也大並具有明顯的滯後效應。結
構下端和頂層因邊界約束和負載，位移響應小於結構一層頂部區域。
4.4 結論
綜上檢驗的桿件所承受、壓應力遠小於材料極限應力，拉桿強度滿足，壓桿不失穩，由此表明結構截面尺寸合理，結構設計合理。
綜合評估該模型能夠達到競賽要求的強度、剛度和穩定性要求。「三角之巔」的方案是可行的，擬用此結構模型來參加比賽。
5鐵塊分布詳圖及水箱注水
5.1 鐵塊分布重量及詳圖
圖23 二層鐵塊分布詳圖
圖24 三層鐵塊分布詳圖
圖25 四層鐵塊分布詳圖（布置1）
圖26 四層鐵塊分布詳圖（布置2）
表2 各樓層鐵塊重量及水箱重量分布表
5.2 水箱注水尺寸及重量
水箱注水採用滿水，重量為4kg。
2023年大連交通大學第五屆結構設計大賽命題
2013年遼寧省普通高等學校本科大學生 移動偏載作用下兩等跨雙車道連續橋梁結構模型。1.模型製作材料 模型製作材料為組委會統一提供的230克巴西白卡紙 鉛發絲線和白膠。任一參賽隊不得使用組委會指定以外的其它任何材料，否則將直接取消參賽資格，並通報。2.模型尺寸要求 橋梁的型別不限，但必須保持主梁和橋...
第五屆全國大學生結構設計大賽賽題
2.2模型及附加鐵塊安裝要求 1 利用熱熔膠將附加鐵塊固定在模型除底層以外的各個樓層的樓面結構上，可在樓層上設定固定鐵塊輔助裝置，但輔助裝置和鐵塊不能超出樓層範圍且不能直接跟柱接觸。2 提供大 小兩種規格鐵塊。大鐵塊長 寬 高約分別為12cm 6cm與3.2cm，重量為1800g。小鐵塊的長 寬 高...
第五屆全國大學生結構設計大賽賽題
2.2模型及附加鐵塊安裝要求 1 利用熱熔膠將附加鐵塊固定在模型除底層以外的各個樓層的樓面結構上，可在樓層上設定固定鐵塊輔助裝置，但輔助裝置和鐵塊不能超出樓層範圍且不能直接跟柱接觸。2 提供大 小兩種規格鐵塊。大鐵塊長 寬 高約分別為12cm 6cm與3.2cm，重量為1800g。小鐵塊的長 寬 高...