建筑结构模型设计说明书
建筑结构模型设计大赛
———建筑工程技术1206班
张田庆陈昱宁泽珍周朝林刘思琼
1.设计说明书
对于设计一个高层建筑,特别是超高层建筑,我们很自然地会想到金字塔形的建筑结构,其结构简单,外形美观。1.1方案构思
一切构思的起点是比赛的规则,我们仔细阅读了策划书。我们尝试过核心筒的形式,尝试过巨型架,也分别进行尝试加载分析,虽然成功了,但没有创意。所以我们决定大胆的创新,想出了“A”型框架结构。
建筑的外形由下到上先收后保持竖直,动态的构思与优美的曲线打破了传统意义上面的纯直线造型,呈现给人们耳目一新烦人感受。在整体形象给人强烈的视觉冲击和震撼的同时,理性技术的表现也很完美:大尺度的“A”形梁柱具有极强的艺术感染力和技术神秘感,清晰的体现了力与美的结合。
整体建筑外观通透,纯净,内外空间自由流通融合,创造了人舒适的建筑环境。1.2结构选型
我们查找相关资料知道,在所有的细长结构中,金字塔型建筑最为最轻最稳定,本设计从金字塔型建筑出发,充分利用了三角形的稳
定性。考虑到比赛的时候结构是先受到竖向的荷载和侧向荷载,其中以侧向荷载为主要控制荷载,模型结构选择了框架和柱简支撑构成框架—支撑体系,由框架结构主要承受竖向荷载,支撑体系来承受侧向荷载,保证结构有足够的侧向刚度,以控制其侧向位移在规定限制内。
最初我们选择的是下图(图1)所示的结构,虽然经过分析,此结构具有很好的传力体系,以及很好的外观效果,但我们在模型制作过程中发现,此结构无法避免两个柱交叉以后侧面不在一个平面的事实,如果受力过大,结构将受到很大的扭转;并且结构的节点和杆件太多,这样对于结构自重过大。综合以上各种因数我们放弃了此结构模型,选择了第二个结构(如图1-1)
。
图1
1.3结构高层布局
本结构高1.1m,本部设置9层,地下设置一层。层高从下到上分别为0.1,0.1,0.125,0.125,0.125,0.12,0.12,0.12,0.1。技术的发展始终以
人为本。我们的设计本着人性化的宗旨来考虑和实施。结构设计中对人的基本生理要求(通风,采光等)给予了足够的考虑,
2.方案图
2.1结构整体布置图(尺寸详见图1-2
)
正立面图侧立面图
图1-1结构整体布置图
3.结构计算书
包括结构的强度和刚度计算,完全采用SAP2000进行定义荷载工况,通过理论计算来更加准确的说明我们的结构合理性,从以下几个方面进行说明3.1结构计算模型
正立面图侧立面图
图1-2计算模型
3.2杆件编号
为了便于应用SAP2000软件对结构进行分析计算和数据分析,我们对结构的杆件进行了编号。各杆件的具体位置如(图1-3
)所示。
图1-3
节点编号如(图1-4)
所示
图1-4
3.3结构计算假定和各个物理参数3.3.1计算假定
(1)楼板不参与受力计算,基础挡土墙板仅作为安全储备而用不参与计算。
(2)综合考虑蒙皮效应。
(3)梁,柱和支撑的连接点,由于采取了加强措施,所以应该视为刚性连接。
(4)本结构要受侧向荷载的作用,故计算时候梁和柱以及支撑均采用空间截面是圆柱型单元
(5)计算时所有的荷载均等效为作用在节点上面的集中荷载。(6)因为下部不能移动,但是可以有一定的转角,因此支座可以视
为铰接。
3.3.2杆件截面尺寸(1)柱(2)梁
采用圆柱形,截面外半径为12.5mm,内半径是7.5mm采用圆柱形,截面外半径为10mm,内半径是7mm
(3)支撑采用圆柱形,截面外半径为10mm,内半径是7mm3.3.3纸的力学性能
纸是一种常见的材料,我们在网上查找到纸的相关性质,得到了表格1-1,表格2-2所示,由于纸弹性模量数据离散型性较大,于是我们取平均值作为弹性模量的标准值。
弹性模量(单位:Mpa)纸的层数
1234
材料的极限应力
名称类型230克白卡纸
蜡线
层厚(mm)/股数
0.32
拉应力(N/mm
22.2600
2
表1-1
平均值
弹性模量[**************]6
表1-2)/N
1459
压应力(N/mm
7.00
2
)
3.4各种静荷载工况下结构的强度和刚度计算3.4.1结构计算简化
假设竖向荷载平均作用在顶部的9个节点上面,平均每一个节
点大小是9N,同时将水平荷载平均作用在结构顶部的侧面两个节点上面。
3.4.2结构强度计算3.4.2.1杆件内力
用SAP2000软件计算出各种荷载工况作用下结构杆件的轴力,如表1-3和轴力图如下所示。
各种荷载工况下杆件的轴力(N)
荷载工况
杆件编号
1
2345678910
80N竖向荷载+50N水平荷载
00.06777-0.01533-1.14-12.68-12.97-98.3988.3413.81-37.9
80N竖向荷载+70N水平80N竖向荷载+80N水平荷载荷载00
0.095050.11-0.02148-0.02455-1.13-1.12-17.75-20.28-18.1-20.66-127.39-162.68101.22146.0624.1829.36-48.22-53.38
荷载工况
80N竖向荷载+70N水平80N竖向荷载+80N水平荷载荷载
000.061490.070140.05450.062891.091.241.431.6-2.48-2.71-0.07777-0.08839
0.680.78-0.28-0.33-44.42-49.03
0000
-0.06059-0.06939
表1-3
杆件编号80N竖向荷载+50N水
平荷载110120.04418130.03773140.78151.0816-2.0417-0.05652180.4919-0.1720-35.221022023-0.04301
荷载工况
杆件编号
[***********][***********]424344
80N
竖向荷载+50N水80N竖向荷载+70N水平80N竖向荷载+80N水平平荷载荷载荷载
-0.0504-0.06873-0.0779-0.74-1.06-1.22-0.73-1.14-1.340.063210.460.660.044490.063040.07231-0.43-0.61-0.690.40.610.7111.0420.2424.85-99.25-128.02-159.3189.04102.03147.39
000-0.11-0.16-0.180.045150.063440.07258-1.28-1.33-1.35-13.24-18.54-21.19-12.92-18.03-20.58
000000-0.87-0.95-0.99-1.73-1.72-1.71-0.33-0.18-0.11
图1-4图1-5图1-6
(1)工况1:80竖向荷载+50N水平荷载
从表1-3和图1-4可以看出最大拉力是8号和33号杆件,其拉力大小分别是88.34N和89.04N。而最大轴力是7号和32号杆件,其大小分别是98.39N和99.25N。均小于纸和线的极限应力,故是安全的。(2)工况2:80竖向荷载+70N水平荷载
从表1-3和图1-5可以看出最大拉力是8号和33号杆件,其拉力大小分别是101.22N和102.03N。而最大轴力是7号和32号杆件,其大小分别是127.39N和128.02N。均小于纸和线的极限应力,故是安全的。
(3)工况3:80竖向荷载+80N水平荷载
从表1-3和图1-6可以看出最大拉力是8号和33号杆件,其拉力大小分别是146.06N和147.39N。而最大轴力是7号和32号杆件,其大小分别是162.68N和159.31N。均小于纸和线的极限应力,故是安全的。
由表1-3和所有的轴力图易分析得出,模型的横梁和支撑受力都很小,柱受力较大,因最大处在柱的下部,因此要加强柱子下部。3.4.3结构刚度计算
我们分析得到模型在水平方向位移是主要的控制位移,图1-7,图1-8,图1-9和表1-4。
各种荷载工况下节点的位移(mm)
荷载工况
节点号数
80N竖向荷载+50N
水平荷载
3.056.39
80N竖向荷载+70N水平荷载
4.2810.8
80N竖向荷载+80N水平荷载
4.913.07
表1-4
23
图1-7图1-8图1-9
由以上分析位移我们知道最大的侧向位移是43.95mm,完全可能倾倒,但是在弹性模量以及节点处理和粘接的过程中,包括在杆件中加入蜡线过程中,我们进行了预制。所以位移有一定的安全范围,故在超出较小的范围里能够稳住,结构还是安全的,3.5冲击荷载下结构的强度3.5.1等效的计算
由于SAP2000软件的局限性,不能够指定冲击荷载工况,所以我们必须将冲击荷载转化为静荷载。我们在图书馆查找相关结构动力学书籍以后,知道冲击荷载的放大系数范围在1.7—2.0,为保守起见,所以我们取得放大系数是λ
=2,如当冲击荷载是40N的时候就是
等效于80N的侧向静荷载。即:
P=λ*p
P:静荷载p:冲击荷载
因此,40N的冲击荷载等效于是80N的侧向静荷载,于是杆件的轴力大小和位移数据与前面(80N竖向荷载+80N水平荷载)一样,所以我们知道40N的冲击荷载结构是安全的。
4.结构补充说明
(1)在圆型柱,梁,支撑中都通入两股蜡线,并连接为一个整体。制成预应力杆件结构,不仅具有预应力的作用,还能提高结构整体性,和抵抗拉力的作用。
(2)在基础的侧面我们增加两个挡板。因为在基础上面将掩埋200mm厚的铁砂。为了提高结构的稳定性和抗倾斜力,必须充分利用铁砂的自重,以及增大结构与铁砂的摩擦力,所以我们采用了两个挡板加在基础侧面。