第六屆結構創新設計大賽
設計計算書
學院：土木工程學院
專業班級：工程力學09-01班
組別：第3組
組長：徐寧
成員：張小樂錢亞運呂玉玲
季剛王巍樺余俊師
第六屆結構大賽設計計算書
土木工程學院工程力學09-01班3組
組長：徐寧；成員：張小樂,錢亞運，呂玉玲，季剛，王巍樺，余俊師
一、總體設計思路
1. 保證結構各部分強度。
2. 保證結構穩定性。
3. 在保證強度、穩定性的前提下，增大結構柔度。結構產生適度變形，以吸收**能量。
4. 採用「板→梁→柱→基礎」結構，傳力路線簡單明確。
5. 基本設計思路如下：
任務書要求
荷載鐵塊形狀尺寸
梁的形式及布置方式
傳力路線選擇
柱的布置形式
6. 次要非承重構件可先破壞，以吸收**能量，保護主體結構。
7. 盡量減輕自重。
二、幾何造型
根據抗震結構布置的一般原則：a）平面布置力求對稱；b）豎向布置力求均勻，我們首先考慮了兩種基本設計方案：正四邊形和正八邊形。
顯然，在底板面積一定的情況下，正方形的截面慣性矩要大一些，穩定性更好，但是在隨後繪製模型簡圖時，發現其用料過多，故而最終選擇了八邊形方案。如圖1所示。
在節點的連線方式上，考慮到膠水粘接時需要較多的固定木條，我們在膠水粘接的基礎上採用了比較新穎的銷釘連線，其效果也是令人滿意的。
三、模型基本引數
1、高度
從底板上表面開始計算。
第一層：基礎高度50mm；基礎至梁頂淨高160mm；梁板高度20mm。總計180mm。
第二層：淨高110mm；梁板高度20mm。總計130mm。
第三層：淨高110mm；梁板高度20mm。總計130mm。
第四層：淨高110mm；梁板高度20mm。總計130mm。
第五層：淨高100mm；梁板高度20mm，圍護高度20mm。總計140mm。
總高：710mm。
2、面積
各層面積相同，均為
20×20－5×5×4=300（cm2）
總面積 5×300＝1500（cm2）
3、荷載
單層承受質量：m＝300×10＝3000（g）=3.0（kg）
單層重力荷載：g＝mg=3.0×9.8=29.4（n），取g為30n。
**作用力按照底部剪力法計算：
結構等效總重力荷載：
geq==0.85×5×30=1127.5（n）
取水平**影響係數為1，並近似取,質點i水平**作用標準值為：
則各層**作用力為：
f1＝，
f2＝，
f3＝，
f4＝，
f5＝取f1＝34n，f2＝58n，f3＝82n，f4＝106n，f5＝128n
四、結構計算
1、材料的力學指標
彈性模量：8900 n/mm2。
在實際應用中發生橫紋剪下的現象不僅罕見，而且橫紋剪下總是要橫向壓壞纖維產生拉伸作用而並非單純的橫紋剪下，因此通常不作為材性指標進行測定。木材的橫紋抗剪強度為順紋抗剪強度的3-4倍。
2、簡化計算模型的選取
由於結構的對稱性，可將結構沿對稱平面分為兩部分，取一側進行計算。並考慮到模型在製作過程中可能出現的誤差，可將每層荷載視為作用在梁板交點處的兩個等值集中力。中間柱與梁的連線視為剛結。
則計算簡圖如圖3所示。
1) 荷載
各層豎向荷載為原來一半：
n＝0.5g=0.5×30=15（n）
各層水平**作用為原來一半：
p1＝0.5f1＝0.5×34＝17（n）
p2＝0.5f2＝0.5×58＝29（n）
p3＝0.5f3＝0.5×82＝41（n）
p4＝0.5f4＝0.5×106＝53（n）
p5＝0.5f5＝0.5×128＝64（n）
2) 截面幾何特性
a) 柱
面積:a=20×6=120（mm2）
慣性矩:
ix=6×203÷12=4000（mm4），iy=20×63÷12=360(mm4)
抗彎截面模量:
wx=6×202÷6=400(mm3), wy=20×62÷6=120（mm3）
拉壓剛度:
ea=8900×120=1068000（n）
抗彎剛度:
eix=35600000（n·mm2），eiy=3204000（n·mm2）
b) 梁
考慮到梁頂部挖去部分的一影響，保守的取h=17mm，則
a=3×17×2=102（mm2）
i=3×173÷12×2=2456.5（mm4）
w=3×172÷6×2=289（mm3）
ea=907800(n)
ei=21862850(n·mm2)
c) 板
由於垂直於梁軸向的板的抗彎剛度
w板=20×32÷6×2=60（mm3），遠小於梁，可忽略不計。
3) 使用結構力學求解器計算的整體內力
將結構尺寸、荷載、材料性質輸入求解器，算得彎矩圖、軸力圖、剪力圖如下：
圖6、滿載時的內力圖
4) 強度及穩定性校核
柱的最危險截面在最下端。
左柱：，抗壓強度足夠
，抗拉強度足夠
，抗剪強度足夠
右柱：，抗拉強度足夠
（5）板的強度校核
最危險板處於底層樓頂。因軸力很小，忽略其影響。
，抗拉、壓強度足夠
，抗剪強度足夠
（6）梁、柱結點強度校核
如圖8所示，力作用在粘接面，在粘接面處，梁受到柱的扭矩、剪力作用。
最大剪力
，抗剪強度足夠
（7）柱的穩定性校核
採用穩定係數法求壓桿穩定，取μ＝0.7，極限荷載為
，穩定性足夠。
（8）銷釘的抗壓及抗剪強度驗算
抗剪:﹤65(n/mm2)，抗剪強度足夠
抗壓：<，抗壓強度足夠
5) 四個承重層時的承載力計算
使用結構力學求解器求得結果如下：
根據前面滿載時的強度驗算結果，當結構有四個承重層時其內力均小於滿載，故此時結構的承載力可不必驗算。
6) 計算結果分析
1) 根據結構滿載時的內力分析結果，當結構只有四個承重層時，其內力會有較大幅度的降低，這與預期的結果符合的較好。因此，為安全起見，在實驗時可首先考慮放置四層鐵塊，然後再進行滿載實驗。
2) 此外，結構中銷釘的使用也較為有效的解決了梁、柱節點處的強度問題。
7) 參考資料
1） 材料力學（第二版），單輝祖，高等教育出版社；
2） 結構力學（第二版），龍馭球等，高等教育出版社；
3） 抗震結構設計（第3版），王社良，武漢理工大學出版社；
4） 混凝土結構（中冊，第三版），東南大學等，中國建築工業出版社；
5） 鋼結構——原理與設計，夏志斌、姚諫，中國建築工業出版社;
6） 土木工程荷載與設計方法，張學文，羅旗幟，華南理工大學出版;
7） 建築結構設計原理,李章政，熊峰，化學工業出版社；
8） 高層建築結構的設計與計算,裴星洙，張立，中國水利水電出版社;
9） 木結構設計規範 gb50005-20037.
第六屆結構設計大賽
計算說明書 作品名稱 班級組別 指導老師 目錄一 設計說明 2 1 方案構思 2 2 設計選型 2 二 設計方案 3 1 設計基本假定 3 2 模型結構圖 3 3 主要構件材料表 5 三 結構設計計算 6 1 結構的基本性質 6 2 梁柱剛度計算 7 3 自振週期計算 8 4 橫向水平 作用計算 9...
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