2014年第六届全国大学生结构设计大赛
计 算 书
二○一四年五月
作品名称
气 势 如 虹 参赛学校
参赛队员
指导教师
目录
第一章设计说明 (1)
1 作品简介 (1)
1.1 基本参数 (1)
1.2 结构详图 (2)
2 设计思路 (5)
3 结构选型 (5)
3.1 模型结构选择 (5)
3.2 材料截面选择 (5)
4 结点制作 (5)
4.1 长杆件接长连接 (5)
4.2 垂直结点连接 (6)
4.3 受拉斜结点连接 (6)
4.4 受压斜结点连接 (6)
第二章设计计算 (7)
1 基本假定 (7)
2 白纸参数 (7)
3 模型建立 (7)
4 内力计算 (8)
5 位移计算 (9)
6 承载力计算 (9)
7 局部受压验算 (10)
第三章总结 (11)
第一章设计说明1 作品简介
1.1 基本参数
作品图片
结构形式：桁架
模型高度：240㎜
模型宽度：150㎜
支点跨径：1200㎜
总长：1340㎜
第六届全国大学生结构设计竞赛赛题 1．命题背景 吊脚楼是我国传统山地民居中的典型形式。这种建筑依山就势，因地制宜，在今天仍然具有极强的适应性和顽强的生命力。这些建筑既是我中华民族久远历史文化传承的象征，也是我们的先辈们巧夺天工的聪明智慧和经验技能的充分体现。 重庆地区位于三峡库区，旧式民居中吊脚楼建筑比比皆是。近年来的工程实践和科学研究表明，这类建筑易于遭受到地震、大雨诱发泥石流、滑坡等地质灾害而发生破坏。自然灾害是这种建筑的天敌。 相对于地震、火灾等灾害而言，重庆地区由于地形地貌特征的影响，出现泥石流、滑坡等地质灾害的频率更大。因此，如何提高吊脚楼建筑抵抗这些地质灾害的能力，是工程师们应该想方设法去解决的问题。本次结构设计竞赛以吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为题目，具有重要的现实意义和工程针对性。 2．赛题概述 本次竞赛的题目考虑到可操作性，以质量球模拟泥石流或山体滑坡，撞击一个四层的吊脚楼框架结构模型的一层楼面，如图2.1所示。四层吊脚楼框架结构模型由参赛各队在规定的时间内现场完成。模型各层楼面系统承受的竖向荷载由附加配重钢板实现。主办方提供器材将模型与加载装置连接固定（加载台座倾角均为o 30θ=），并提供统一的测量工具对模型的性能进行测试。 图2.1.第六届全国大学生结构设计竞赛赛题简图 配重1M 配重2M 配重2M 后固定板 前撞击板 螺杆 钢底座 钢架A 钢架B 不锈钢半圆滑槽 模型部分（含部分加载装置） 加载台座 θ θ 加速度传感器 螺杆 硬橡胶
3．模型要求 图3.1.模型要求示意图 图 3.1模型设计参数取值表 q o 30 0L 20cm > —— H 1cm 99± L < 24cm —— q 配重1M 配重2M 配重2M 前撞击板 后固定板 底板 模型平面尺寸要求示意图 要求平整，且与前撞击板端头有效接触面积不小于22cm 要求平整，且与后固定板端头有效接触面积不小于22cm 底板示意图 允许固定区域 硬橡胶
第19卷第3期宁波大学学报（理工版）V ol.19 No.3 2006年9月JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE ) Sept. 2006 文章编号:1001-5132（2006）03-0330-04 客运中心管桁架的结构设计 邬吉吉华1,2，何丽波2，许国平2，周泓2，刘中华3 （1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.宁波市建筑设计研究院科研所，浙江宁波 315012；3.浙江精工钢结构有限 公司，浙江绍兴 312000） 摘要：根据空间有限元建模计算，探讨了多跨的钢管桁架结构体系的天台客运中心候车大厅屋盖的结构布置、计算模型的对比. 分析表明采用倒三角形截面的管桁架在平面外稳定性较弱，在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成几何不变体系，否则应进行平面外的稳定分析. 管桁架的设计计算应考虑与下部结构共同作用，同时应反映施工对结构内力的影响. 管桁架的计算模型中采用刚性节点与弹性节点对内力的影响不大. 关键词：管桁架；结构设计；有限元 中图分类号：TU318+.1文献标识码：A 在大跨空间结构中采用空间管桁架是种合理经济的结构形式. 空间管桁架的自身刚度大，用钢量小，施工方便，可单制作，适用于复杂多变的建筑形式，并具有明快的结构传力方式[1-5]. 天台客运中心是浙南地区重要的交通枢纽，总建筑面积为15000m2. 采用造型新颖的园弧形屋面来寓意天台人民不断开拓进取的时代精神. 主体结构由候车大厅和售票大厅组成，总高度为20.37m. 东西长112.2m. 南北宽48.6m. 其中候车大厅平面尺寸112m×51m，柱距9m，下部结构采用钢筋混凝土现浇框架. 抗震等级为三级屋面为纵向园弧坡面. 工程设计的使用年限为50年. 建筑物重要类别为丙类建筑. 建筑结构的安全等级为二级. 钢结构的耐火等级为二级. 天台抗震设防烈度为6度. 基本风压为0.4kn/m2，雪压为0.5kn/m2. 地面粗糙度为B类，建筑物场地类别三类. 1结构体系布置 经多种方案比较，候车大厅屋面决定采用空间管桁架结构体系. 其承重主要由钢桁架、屋盖支撑体系以及钢檩条组成，如图1和图2所示. 根据建筑柱网布置，钢桁架ZHJ共计12，间距9m，采用三跨连续的倒三角形截面的钢管桁架. 其跨度分别为15m、27m、4.8m，支承于钢筋混凝土柱上，并向两侧各悬挑3m、6m. 倒三角形截面桁架的高和上边宽均为 1.5m. 钢桁架上、下弦杆选用较大外径和壁厚的圆钢管. 从钢管节点的构造来保证弦杆外径大于腹杆外径，弦杆壁厚大于腹杆壁厚. 按等间距 1.5m错位布置上、下弦杆节点来实现弦杆与腹杆以及腹杆轴线间的夹角大于30o. 同时在钢桁架承受较大横向荷载的支座部位纵向和横向进行了加强. 在本工程中上弦杆为2根φ203 收稿日期：2006-03-28. 基金项目：中国博士后科学基金（2005037512）. 作者简介：喆 邬华（1971－），男，上海人，博士后，高级工程师，主要研究方向：大跨钢结构、预应力混凝土结构等. E-mail:wuzhehua@https://www.doczj.com/doc/109932626.html,
第十届全国大学生结构设计竞赛赛题 大跨度屋盖结构 随着国民经济的高速发展和综合国力的提高，我国大跨度结构的技术水平也得到了长足的进步，正在赶超国际先进水平。改革开放以来，大跨度结构的社会 需求和工程应用逐年增加，在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、铁路旅客站及各类工业厂房等建筑中得到了广泛的应用。借北京成功举办2008奥运会、申办2022冬奥会等国家重大活动的契机，我国已经或即将建成一大 批高标准、高规格的体育场馆、会议展览馆、机场航站楼等社会公共建筑，这给我国大跨度结构的进一步发展带来了良好的契机，同时也对我国大跨度结构技术水平提出了更高的要求。 2总体模型 总体模型由承台板、支承结构、屋盖三部分组成(图-1) 加载区域 图-1模型三维透视示意简图 2.1承台板 承台板采用优质竹集成板材，标准尺寸1200mm>800mm，厚度16mm，柱 底平面轴网尺寸为900mm>600mm，板面刻设各限定尺寸的界限：
(1)内框线：平面净尺寸界限，850mr> 550mm；
（2） 中框线：柱底平面轴网（屋盖最小边界投影）尺寸， （3） 外框线：屋盖最大边界投影尺寸， 1050mm X750mm 承台板板面标高定义为土 0.00。 2.2支承结构 仅允许在4个柱位处设柱（图-2中阴影区域），其余位置不得设柱。柱的任 何部分（包括柱脚、肋等）必须在平面净尺寸（850mmx 550mm ）之外，且满足 空间检测要求。（即要求柱设置于四角175mm 125mm 范围内。） 柱顶标高不超过+0.425 （允许误差+5mm ），柱轴线间范围内+0.300标高以 下不能设置支撑，柱脚与承台板的连接采用胶水粘结。 2.3屋盖结构 屋盖结构的具体形式不限，屋盖结构的总高度不大于 125mm （允许误差 +5mm ），即其最低处标高不得低于0.300m ，最高处标高不超过0.425m （允许误 差 +5mm ）。 平面净尺寸范围（850mmx 550mm ）内屋盖净空不低于300mm ，屋盖结构 覆盖面积（水平投影面积）不小于900X300mm ，也不大于1050X750mm ,见图-3。 不需制作屋面。 屋盖结 构覆盖面积（水平投 影面积）不小于900>600mm ，也不大于 1050X750m m 。但不限定屋盖平面尺寸是矩形，也不限定边界是直线。 屋盖结构中心点（轴网900X300mm 的中心）为挠度测量点。 2.4剖面尺寸要求 模型高度方向的尺寸以承台板面标高为基准，尺寸详见图 -4、5。 900mm >600mm ； (I ； ② 图-2承台板平面尺寸图 、柱脚内界 口 g □ Trfrii?尺寸范应 （85Gi550} 〔柱脚不睜进入谀范 柱位 12UW
首届全国大学生结构设计竞赛作品分析 发表时间：2018-06-04T16:45:44.867Z 来源：《基层建设》2018年第10期作者：高洋 [导读] 摘要：全国大学生结构设计竞赛作为教育部指定的九大大学生学科竞赛之一，其在大学生科技类比赛中发挥着明显的作用，该赛事对土木、结构、建筑设计类大学生的研究能力、创新能力、工程实践能力、团队精神、人际沟通能力、计算机应用水平及综合运用能力的培养与增强有着无法替代的价值。 河北大学建筑工程学院河北保定 071000 摘要：全国大学生结构设计竞赛作为教育部指定的九大大学生学科竞赛之一，其在大学生科技类比赛中发挥着明显的作用，该赛事对土木、结构、建筑设计类大学生的研究能力、创新能力、工程实践能力、团队精神、人际沟通能力、计算机应用水平及综合运用能力的培养与增强有着无法替代的价值。查阅了众多参赛作品将其与获奖作品进行比较对各结构体系有了更深程度的理解。 关键词：结构设计竞赛；框架结构；蒙皮结构；预应压力；建筑造型 国内大学生结构设计竞赛最早缘起于1994年清华大学校园内一座观赏性小桥—— “莲桥”建造方案的征集，其目的在于健全面向未来的教学体系，将学生们的学习由理论影像实践，通过对理论知识的综合运用和团队共同协作精神的培养，以及提高当代大学生的创新精神和动手实践能力。2000年，浙江大学在学习借鉴清华大学的基础上，在校内组织开展了首届大学生结构设计竞赛活动。2002年，在浙江省教育厅的大力支持下，浙江大学又将这项活动推向了全省，并承办了浙江省首届大学生结构设计竞赛活动。随着国内部分高校校内大学生结构设计竞赛的兴起，清华大学、同济大学、浙江大学等高校在成功举办校内竞赛的基础上，又分别将竞赛扩展到了港澳台地区，、华东地区和亚洲地区邀请赛以及全国竞赛。 这项赛事的举办旨在为土木相关专业的大学生提供一个挑战、创新、发掘自身潜能的平台，提高学生对专业的实际综合运用能力、思维能力、动手能力，在挑战中体现创新的理念，培养团队协作的能力，领悟学科魅力，增进个学校同学间的学科交流，拓展更加深层次的合作平台。在比赛中，同学们加深了对理论知识的理解，并将其运用与实际的模型设计中，计算能力、分析能力也从中获得了提高。 如同济大学土木工程系教授周克荣所说：“欲使我国在国际竞争中立于不败之地，人才培养是关键。”于2005年首届全国大学生结构设计竞赛在浙江大学举办，参赛题目为高层建筑结构模型设计与制作，竞赛内容包含方案设计与理论分析、结构模型制作、作品介绍与答辩、模型加载试验。根据建筑造型、结构方案、理论分析、模型制作、叙述答辩和加载试验 6 个方面进行评审。计分方法：先按荷重比（F=Q/W ）计算出各模型的相对分，其中 Q 代表模型所承受的最大侧向静荷载或冲击荷载（ N ）， W代表模型自重（ N ）；再将 F 值为最大（记 Fmax ）的模型定为满分（侧向静载 25 分，冲击荷载 20 分），其余模型的分数按（满分× F / Fmax）计算。 其中加载试验所占比重最大为45分，要求设计过程中选取合理的结构体系，这是对力学课程的考究，也是对现场制作时节点构件间合理稳固的连接的考察。 1、锥形框架结构 特等奖作品浙江大学的“一米阳光”借鉴了塔形的稳固结构，底部采用拉线，在压铁砂时张紧，整体造型先收后放，制作精美，结构与建筑造型的完美结合得到专家的好评。特等奖作品“一米阳光”、一等奖作品同济大学的“五月竹阁”“云梯”均采用的是锥形框架结构体系。框架最大的特点就是利用结构杆件的轴向承载力和刚度传递侧向荷载和重力荷载，从而提高整体的荷重比，因此有较高的有效性。柱子倾斜法治的框架体系（锥形框架）对刚度有较大的提高，可减少10%---30%的侧移。若再增加层间支撑（一层或几层，支撑角度45-60度为最佳），形成框架---支撑体系，可由框架结构主要承受竖向荷载，支撑体系承受水平荷载，保证了结构有足够的侧向刚度，以控制其位移在规定以内。在这种体系中，水平剪力主要由腹杆而不是柱承受，而腹杆由主要由其轴力的水平分量抵抗剪力，可接近一个真正的悬臂梁。该体系经过合理设计，其结构整体立面丰富，构件受力合理，适用于高层建筑结构。 2、蒙皮结构 一等奖作品东南大学的“云梯”、“白月光”采用的是蒙皮结构体系。蒙皮加上骨架的结构是非常好的结构，采用水平横梁变间距的体系，采用斜柱两向不对称。在结构外围，外包硫酸纸，在整个结构外围的硫酸纸完全绷紧时，可以提高结构的整体性能，提高幅度在15—30%左右，但应注意剪应力滞后的问题。其原理本人认为是在竖向荷载作用下，蒙皮相当于一个套箍的作用，跟混凝土结构中柱子的箍筋或钢管混凝土中的钢管作用异曲同工。在水平荷载下，相当于弱剪力墙的作用。“蒙皮结构”可以说是本次比赛的一大亮点，也是最有创意的地方。简洁的厂房体型，简单的四根柱子，外墙用硫酸纸包一圈，使四周密封，形成蒙皮结构，在承受侧向荷载的时候，整个外墙面传递荷载，传力途径多样，模型本身很轻，制作工艺简单，受力性能良好，无疑是比赛中最优秀的结构之一。另外一个也利用了硫酸纸受力的蒙皮结构是南京工业大学的“升”，三道硫酸纸长条斜着隔几层螺旋设置，受侧向力作用的时候，长条受拉，虽然在荷载试验中失败，但是其思想依然可以借鉴。 3.预应压力 二等奖作品湖南大学的“逸云阁”、三等奖作品上海交通大学的“爱奥尼大厦”、三峡大学的“索源”利用蜡线在柱子中间穿过，柱底柱顶锚固蜡线，从而对柱子形成预应压力。当在水平力作用下，柱子一边受拉，一边受压，可以提供受拉柱子一定的拉力，从而减少结构的侧移。水平力方向不定，蜡线不可受压，柔性支撑不一定可以发挥作用。若在刚性支撑中再加蜡线，形成刚柔并济的支撑体系，更好，只是较为费材料。 4. 筒体结构 筒体结构由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，多用于写字楼建筑。筒体结构作为高层建筑的一种结构形式，古已有之，如建于公元2世纪的印度佛祖塔,平面为正方形，砖砌塔身高55米;1055年建成的中国定县开元寺塔，塔身为砖砌筒中筒,共11层,高84米。筒体结构在现代高层建筑中广泛应用。目前世界上的高层建筑多是筒体结构，如美国芝加哥的约翰?汉考克大厦、西尔斯大厦、标准石油公司大厦和纽约的世界贸易中心大厦等。但框架筒体结构和筒体结构，在获奖作品中此类作品没有入围我认为是筒体结构在实体建筑中虽有使用但多应用于超高层建筑结构。此类结构虽受力性能良好，但自重较大在大赛中并不占优势。 另外，获奖作品中的来自上海交通大学的“爱奥尼大厦”还有其独特之处：单向结构设计。由于设计者对规则的解读，深刻的剖析了加载实验的加载方向，勇于放手一搏，最终取得了较可观的成绩。
主要参考资料：《空间网格结构技术规程》 《荷载规范》尤其是风荷载，雪荷载 《钢结构连接节点设计手册》计算屋盖支座 一、选型：参见《空间网格结构技术规程》第三章3.1到3.5节 其中：网架的高跨比可取1/10—1/18；网架在短向跨度的网格数不宜小于5；确定网格尺寸时，宜使相邻杆件间的夹角大于45度，且不宜小于30°。 二、结构计算 1.《空间网格结构技术规程》4.1.1空间网格结构应进行重力荷载及风荷载作用下的位 移、内力计算。并应根据具体情况，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的位移、内力计算。 2.应该考虑荷载： 1）风荷载：注意体形系数的选取。《空间网格结构技术规程》4.1.3对于基本自振周期大于0.25s的空间网格结构，宜进行风振计算。参考《荷载规范》8.4.3 风荷载主要考虑垂直桁架方向，平行桁架方向。 对于风荷载还应该考虑：当风吸力作用于屋盖时，传递到节点荷载上的向上的 合力应小于屋盖自重。 2）雪荷载：雪荷载的主要问题是屋面积雪分布系数参考《荷规》表7.2.1. 3）积水荷载：根据桁架的整体形势，考虑檐口高度以符合积水荷载与雪荷载的大小，并按较大值选取荷载不至于屋面。 4）温度作用：《空间网格结构技术规程》4.2.4中可不考虑温度变化引起的内力条件；若要考虑温度作用，参数考虑《荷规》第九章。 5）地震作用： a).《抗规》10.2节10.2.6下列屋盖结构可不进行地震作用计算，但应符合本节 有关的抗震措施要求： 1.7度时，矢跨比小于5的单向平面桁架和单向立体桁架结构可不进行沿桁架的 水平向以及竖向地震作用计算。 2.7度时，网架结构可不进行地震作用计算。 另参考《空间网格结构技术规程》4.4节 b). 《空间网格结构技术规程》4.4.8 当采用振型分解反应谱法进行空间网格结 构地震效应分析时，对于网架结构宜至少取前10~15个振型，对于网壳结构宜 至少取前25~30个振型，以进行效应组合。 《空间网格结构技术规程》4.4.10 在进行结构地震效应分析时，对于周边落地 的空间网格结构，阻尼比可取0.02,；对设有混凝土结构支撑体系的空间网格结 构，阻尼比可取0.03. 三、模型建立及计算：3D3S 1.当不是采用3D3S的模板建模时（自己手动建模），软件不能自动分辨模型中的“上 弦”、“下弦”、“撑杆”等杆件类型，要用户自己定义，可采用“构件属性”菜单中“定义层面或轴线号”命令定义杆件类型； 2.定义单元计算长度：定义单元时，计算长度取0，程序会自动寻找计算长度。软件 对空间框架结构自动寻找无支撑长度，并按规范自动计算两个方向的计算长度。对普通屋架定义了常见的平面内外计算长度。对平面框架的平面内计算长度（绕3轴）
大学生结构设计大赛指导 大连民族学院土木建筑工程学院 二OO八年十月
目录 一结构设计大赛的意义及背景 (1) 二结构设计大赛的题目 (2) 三采用的材料及其性能 (5) 四评分办法 (6) 五方案的确定及理论分析 (8) 六制作技巧 (9) 七往届大赛的题目及作品介绍 (13)
一、结构设计大赛的意义及背景： 结构设计大赛是一项极富创造性，挑战性的科技竞赛。它旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神，提高同学的动手能力与思维能力，突出创新精神，加强同学之间的合作与交流，培养团队精神，丰富同学的课余生活。通过结构设计大赛可以很好地将课堂理论与实际工程紧密结合起来，培养大学生的设计与计算能力，全国性大学生结构设计竞赛已被教育部列为大学生9项科技竞赛之一。2005年，由国家教育部高等教育司和中国土木工程学会教育工作委员会联合主办，在浙江大学举行了全国第一届大学生结构设计竞赛，比赛的题目是：“高层建筑结构模型的制作和加载试验”。全国第二届大学生结构设计竞赛将于2008年10月由大连理工大学承办，竞赛题目是：“两跨两车道桥梁模型的制作和移动荷载作用的加载试验”。 2007年5月，由辽宁省教育厅高教处主办，由大连理工大学承办了第一届辽宁省大学生结构设计竞赛，竞赛题目是：“承受运动荷载的桥梁结构模型设计”，我校获得了二等奖1项，三等奖2项，并获得最佳结构奖和最佳组织奖。同时，我校在历届大连市大学生结构设计竞赛中都获得了非常好的成绩。刚刚结束的第四届大连市大学生结构设计竞赛的题目是：“两跨双车道桥梁结构模型设计、制作和移动荷载作用的加载试验”,与全国第二届大学生结构设计竞赛的题目相同，我校获得了一等奖1项，二等奖1项，并获得3项优秀奖及最佳组织奖。我校为丰富校园学术氛围，提高学生的创新设计能力，也已举办过3届结构设计大赛，同学们踊跃参加，收到了很好的效果。
2013-2014年度学生研究计划（SRP）“桁架结构模型结构优化及试验” 结题论文 姓名骆辉军 学院土木与交通学院 专业土木工程（卓越全英班） 学号 201230221450 指导老师范学明 时间 2014年10月
一.实验背景 随着科学技术的发展和计算机软件技术的应用，应用相关的软件来进行桁架结构模型的优化已经可以成为现实。桁架结构中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。在桥梁结构中，桁架结构也应用广泛。只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。合理地设计桁架结构，就能够最大限度地利用材料的强度，起到减轻桁架重量，节省材料的目的，从而也能为工程实际应用提供相关的依据和参考。 但桁架的结构模型形式千变万化，仅仅从理论上分析桁架的受力特征和破坏特征，而不进行相应的试验研究是无法取得实质性的进展的。正是基于这样一个原则，我们需要在理论研究的基础上通过试验来优化桁架的结构模型，在各式各样的桁架结构中挑选出受力合理的结构，最大限度地使材料的强度得以利用。 研究桁架结构模型优化的意义 桁架结构中，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。 由于杆件之间的互相支撑作用，且刚度大，整体性好，抗震能力强，所以能够承受来自多个方向的荷载。而且具有结构简单，运输方便等优点，其应用于各个工程领域。古代木构建筑，而今的2008北京奥运会的主体育馆鸟巢；太空中的大型可展天线，地面上的跨海大桥，随处都可见到桁架的身影。由于桁架的结构模型千变万化，不同的桁架结构形式对桥梁或者屋架的受力特征有很大的影响，因而，研究桁架结构模型的优化具有重大的意义。 二．实验的相关资料 1.桁架结构的常见构造方式 桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构，即一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。 桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。其主要结构特点在于，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相
第三届全国大学生结构设计竞赛 赛题 第三届全国大学生结构设计竞赛委员会 2009.9.24
一、竞赛模型 定向木结构风力发电塔（如图），塔身高800mm，叶片（数量不限）组成的 A A-A 二、模型介绍 1.塔身 塔身为竞赛主结构，需满足以下要求： （1）塔身高800mm，顶点高度实际误差不大于±3mm。塔身外形不影响叶轮运转，塔身水平截面的外轮廓为正多边形或圆形； （2）具有足够的承载能力； （3）具有规定的刚度； （4）与塔顶标准发电机底座连接可靠； （5）与塔底标准底座连接可靠。 2.叶片和叶轮 安装完成后，叶轮外轮廓直径不得大于800mm。 三、装置说明 1.发电机
发电机采用CFX-03型标准发电机，质量4470g，底板及立面详见附图。2.风叶连接件 连接件质量300g，详见附图。 3.发电功率测量系统 发电功率测量系统由导线、负载、功率计组成。导线所受风力不能传递到塔身，由支架承受。 4.鼓风机 相关参数见下表 名称新型节能低噪声轴流风机 型号SF7-4 厂家上海金蓝机电设备成套有限公司 功率3kW 转速1400n/min 风量2500m3/h 风速23m/s 全压力340Pa 经实测，风叶连接件（距鼓风机1m处）的风速参考值如下： 档位风速（m/s） W1 4.0 W2 6.8 W3 9.0 5.塔架安装底盘详见附图。 6.塔脚与安装底盘连接螺栓：重量2g/套。 四、材料及制作工具 1.木材 （1）尺寸：长度1000mm，截面有50mm×1mm、2mm×2mm、2mm×6mm、6mm×6mm； （2）性能参考值：顺纹弹性模量1.0×104MPa，顺纹抗拉强度30MPa。2.胶水：502。
桁架结构优化设计 一般所谓的优化，是指从完成某一任务所有可能方案中按某种标准寻找最佳方案。结构优化设计的基本思想是，使所设计的结构或构件不仅满足强度、刚度与稳定性等方面的要求，同时又在追求某种或某些目标方面（质量最轻，承载最高，价格最低，体积最小）达到最佳程度。 对于图1-1的结构，已知L=2m，x b=1m，载荷P=100kN，桁架材料的密度r=7.7x10-5N/mm3，[δt]=150Mpa，[δc]=100Mpa，y b的范围：0.5m≦y b≦1.5m。 图1-1 桁架结构 设计变量与目标函数（质量最小）
预定参数（设计中已确定，设计者不能任意修改的量）：L ， x b ，P ，r ，[δt ] ，[δc ] 设计变量（可由设计者调整的量）y b ，A 1，A 2 约束条件（对设计变量的约束条件） （1） 强度条件约束（截面、杆件的强度） （2） 几何条件约束（B 点的高度范围） 目标函数：桁架的质量W （最小） 解：1. 应力分析 0sin sin 02112=--=∑θθN N F x 0cos cos 02112=---=∑P N N F y θθ 由此得： )sin(sin 2111θθθ+= p N ) sin(sin 212 2θθθ+- =p N 由正弦定理得： l y l x p N B B 2 1) (2 -+=
l y x p N B B 2 22 += 由此得杆1和2横截面上的正应力 1 2 1) (2 lA y l x p B B -+= σ 2 2 22 lA y x p B B += σ 2.最轻质量设计 目标函数（桁架的质量） ))((2 2 2 1 2 2 B B y x A y l x A W B B ++-+=γ （1-1） 约束条件 [][]? ? ? ?? ????? ????≤+≤-+c B t B lA y x p lA y l x p B B σσ2 2 1 2 22 ) ( （1-2） 0.5≦y b ≦1.5（m ） （1-3） （于是问题归结为：在满足上述约束条件下，确定设计变量y b ，A 1，A 2，使目标函数W 最小。） 3．最优解搜索 采用直接实验法搜索。首先在条件（1-3）所述范围内选取一系列y b 值，由强度条件（1-2）确定A 1与A 2，最后根据式（1-2）计算相应W ，在y b -W 曲线中选取使W 最小的y b 与相应的A 1与A 2，即为本问题的最优解。 4．利用MA TLAB 编程 （1）分析目标函数和约束条件
第五届全国大学生 结构设计竞赛 计 算 书
目 录 1结构选型 (1) 1.1需求分析 (1) 1.1.1 力学 (1) 1.1.2 美学 (1) 1.2结构选型 (2) 1.2.1 竖向承重体系 (2) 1.2.2 横向抗侧力体系 (2) 1.3方案效果图 (3) 2结构建模及主要计算参数 (4) 2.1分析假定 (4) 2.2材料参数及几何模型 (4) 2.2.1 材料参数 (4) 2.2.2 几何模型 (5) 2.3有限元建模 (7) 2.3.1 单元选择及节点处理 (7) 2.3.2 静、动力参数 (7) 2.3.3 有限元分析模型 (8) 3结构受荷分析 (9) 3.1静力分析 (9) 3.1.1 位移 (9) 3.1.2 内力 (9) 3.2动力时程分析 (10) 3.2.1 质量源及节点束缚 (10) 3.2.2 模态分析 (10) 3.2.3 位移和内力 (11) 3.3结构稳定分析 (15) 4节点构造 (15) 4.1支座节点 (15) 4.2梁柱节点 (16) 5模型加工图及材料表 (16) 5.1模型加工图 (16) 5.2材料表 (17) 6铁块分布详图及水箱注水重量 (18) 6.1铁块分布详图 (18) 6.2水箱注水重量 (18) 附件A 模型及节点实物图 (19) 附件B 模型设计施工图 (20)
1.1需求分析 本次结构设计竞赛赛题为采用竹材和502胶水制作一个多层房屋结构 模型，要求所制作的模型不但要能够承受顶部水箱和各楼层铁块的静力荷载，而且必须能够承受模拟地震动的动力荷载。虽然赛题对结构的具体变形没有多加限制，但是对每级荷载加载时的模型失效制定了判定准则。为了保证不出现模型失效，必须严格控制结构的绝对位移和层间位移。因此，设计出来的结构模型必须是一个在满足竞赛要求的前提下，运用空间结构的构造方法和结构力学、材料力学等相关力学知识所设计出的材料消耗最少、同时结构强度和刚度能够满足竞赛要求的结构模型。 以下结合力学和美学对结构方案进行需求分析。 1.1.1力学 （1）静力荷载 结构承受的主要静力荷载为水箱和铁块所产生的重力方向荷载，针对静力荷载需要设计相应的竖向承重构件，例如梁、楼面和立柱等。 （2）动力荷载 结构承受的主要动力荷载为模拟地震动所产生的水平方向荷载，针对动力荷载需要设计相应的横向抗侧力构件，例如立面支撑杆、立面拉索、立面张力膜、立柱等。而模拟地震动的施加方向是随机抽取的，因此结构应尽可能设计成双向等抗侧刚度的形式。 （3）稳定性 结构模型除了需具有满足静力荷载和动力荷载的强度和刚度外，还必须满足稳定性要求，防止构件失稳而导致结构失效。针对稳定性，需要设计承压构件的长细比。 1.1.2美学 从古到今，土木工程的发展都与美学紧密结合，尤其是结构方面与美的结合。作为结构模型的承重体系，可以是柱、梁，也可以是拉索、拉杆和张力膜。这里我们小组根据对结构美学的理解，结合力学需求分析，最 终给结构方案制定了简洁、对称、充满张力的美学目标。 1
第五届全国大学生结构设计竞赛赛题： 带屋顶水箱的竹质多层房屋结构 一、竞赛模型 竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。模型包括小振动台系统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个部分，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块通过实现，小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型由参赛选手制作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上，图1给出了一示意性结构图。 图1 模型示意图 二、模型要求 2.1几何尺寸要求 (1) 底板：多层结构模型用胶水固定于模型底板上，底板为33cm×33cm×8mm的竹板，底板用螺栓固定于振动台上。 (2) 模型大小：模型总高度应为100cm，允许误差为±5mm。总高度为模型底板顶面至屋顶(模型顶面)上表面的垂直距离，但不包括屋顶水箱的高度。模型底面尺寸不得超过22cm ×22cm的正方形平面，即整个模型需放置于该正方形平面范围内，模型底面外轮廓与底板边缘应有足够的距离以保证螺栓能顺利紧固。 (3) 楼层数：模型必须至少具有4个楼层，底板视为模型第一层楼板。除第一层以外，每层楼面范围须通过设置于边缘的梁予以明确定义。 (4) 楼层净高：每个楼层净高应不小于22cm。楼层净高是指该楼层主要横向构件顶部
与其相邻的上一楼层主要横向构件底部之间的最小距离。若底板上设置有地梁，则第一层净高需自地梁顶部开始计算；若无地梁则从底板顶面开始计算。柱脚加劲肋、隅撑及其他外立面构件不影响计算楼层净高。 (5) 使用功能要求：楼层应具有足够的承载刚度，各层空间应满足使用功能要求。在模型内部，楼层之间不能设置任何横向及空间斜向构件。模型底层所有方向的外立面底部正中允许各设置一个12cm×12cm(高×宽)的门洞。 (6) 楼层有效承载面积：楼层范围为各承重分区最外围楼层梁构件所包络的平面，不包括模型内部核心筒区域。在楼层范围内与楼面构件直接接触的铁块的覆盖面积定义为楼层有效承载面积，模型的总有效承载面积应在600cm2至720cm2的范围之内，且每个楼层的有效承载面积不得小于25 cm2。模型顶面为平面，应满足安全放置水箱的要求。 图2 模型立面示意图(单位：mm) 图3 模型底板示意图(单位：mm) 2.2模型及附加铁块安装要求 (1)利用热熔胶将附加铁块固定在模型除底层以外的各个楼层的楼面结构上，可在楼层上设置固定铁块辅助装置，但辅助装置和铁块不能超出楼层范围且不能直接跟柱接触，若辅助装置或铁块与柱子接触，则该层净高以接触点的高度位置开始计算。 (2) 提供大、小两种规格铁块。大铁块长、宽、高约分别为12cm、6cm与3.2cm，重量为1800g。小铁块的长、宽、高约分别为6.0cm、4.5cm与3.2cm，重量为675g。由于加载设备限制，模型中附加铁块总重量不得超过30kg。
大连理工大学第十二届结构设计说明书作品名称龙门吊
目录 一、概念设计 (2) （一）方案构思 (2) （二）结构选型方案比较 (2) 1.设计方案1 (2) 2. 设计方案2 (4) 3. 设计方案3 (5) （三）最终方案详述 (6) 1.整体结构设计 ....................... . (6) 2.详细设计 (7) 3.设计图纸 (8) 二、计算设计 .............................................................................................. (10) （一）静力分析 ..................................................................................... ..10 （二）基本假设 ..................................................................................... ..13 （三）荷载分析 (13) （四）位移分析 (13) （五）承载能力的优化与极大值估算 (15) 三、构造设计 (16) 四．小结 (18)
一、概念设计 （一）方案构思 本次设计竞赛主要有三个方面的技术要求: ①模型制作材料 模型制作材料为组委会统一提供的230克巴西白卡纸、铅发丝线（鞋底线）和白胶。不得使用组委会指定以外的其它任何材料，否则将直接取消其参赛资格，并在赛会中通报。 ②模型轮廓尺寸限定 模型正立面投影限制在如图1所示阴影范围内；侧立面投影限制在图2所示阴影范围内。提交模型时，参赛学生应使用赛会的固定装置、模型验收模具进行试安装，以确认模型符合尺寸要求，并取得参赛资格。 此外，为保证能够在模型上表面施加移动荷载，模型的上表面应具备足够的硬度及平整度。 ③模型柱脚锚固构造 为保证模型能可靠地锚固于加载试验装置台面，制作模型时，严格按照赛会规定限位器的尺寸制作模型柱脚。 （二）结构选型方案比较 框架结构是指由梁和柱以刚接结或者铰结相连接构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的荷载。本次结构设计大赛为正是以框架结构的设计为背景，承受较大竖向荷载，基于这些原则，我们做
第五届全国大学生结构设计竞赛带屋顶水箱的竹质多层房屋结构 计算书
1．赛题综述 竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。模型包括小振动台系统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个部分，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块模拟，小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型由参赛选手制作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上。 几何尺寸要求： (1)底板：多层结构模型用胶水固定于模型底板上，底板为33cm ×33cm×8mm的竹板，底板用螺栓固定于振动台上。 (2)模型大小：模型总高度应为100cm，允许误差为±5mm。总高度为模型底板顶面至屋顶(模型顶面)上表面的垂直距离，但不包括屋顶水箱的高度。模型底面尺寸不得超过22cm×22cm的正方形平面。 (3)楼层数：模型必须至少具有4个楼层，底板视为模型第一层楼板。 (4)楼层净高：每个楼层净高应不小于22cm。 (5)使用功能要求：。在模型内部，楼层之间不能设置任何横向及空间斜向构件。模型底层所有方向的外立面底部正中允许各设置一个12cm×12cm(高×宽)的门洞。 (6)楼层有效承载面积：模型的总有效承载面积应在600cm2至720cm2的范围之内，且每个楼层的有效承载面积不得小于25 cm2。模型顶面为平面，应满足安全放置水箱的要求。 1
2．设计说明 作品构思： 根据赛题的具体要求，选择框架结构为模型的支撑体系结构。框架结构是一种常见的结构形式，特别是在我国经历过5.12汶川特大地震灾害后，框架结构的抗震性能进一步吸引了专家学者的目光。目前大多数房屋结构多采用框架结构，特别是处于地震带附近的房屋结构。框架结构优良的抗震机制要通过强柱弱梁来保证，但是由于框架结构楼面作用大，框架结构的强柱弱梁机制很难做到，故在今后应特别注意保证实现强柱弱梁的设计计算与施工控制，避免强梁弱柱的不利震害[1]。本次模型制作材料与混凝土有较大的区别，竹材的延性较好，抗拉性能较强，制作工艺也与混凝土框架结构有很大的不同，所以，在制作过程中大方向要根据现有的一些设计要求，但是视具体的情况，要做出局部的调整。 3．材料性能分析 模型制作采用竹材，力学性能参考值：弹性模量1.0×104MPa, 抗拉强度为60MPa。 表1：竹材规格表 胶水：采用502快速粘接胶，用于构件之间的粘接，要考虑502 2
renchunmin 一、设计计算资料 1. 办公室平面尺寸为18m ×66m ，柱距8m ，跨度为32m ，柱网采用封闭结合。火灾危险性：戊类，火灾等级：二级，设计使用年限：50年。 2. 屋面采用长尺复合屋面板，板厚50mm ，檩距不大于1800mm 。檩条采用冷弯薄壁卷边槽钢C200×70×20×2.5，屋面坡度i =l/20～l/8。 3. 钢屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，柱顶标高9.800m ，柱上端设有钢筋混凝土连系梁。上柱截面为600mm ×600mm ，所用混凝土强度等级为C30，轴心抗压强度设计值f c ＝1 4.3N/mm 2 。 抗风柱的柱距为6m ，上端与屋架上弦用板铰连接。 4. 钢材用 Q235-B ，焊条用 E43系列型。 5. 屋架采用平坡梯形屋架，无天窗，外形尺寸如下图所示。 6. 该办公楼建于苏州大生公司所 属区内。 7. 屋盖荷载标准值： (l) 屋面活荷载 0.50 kN/m 2 (2) 基本雪压 s 0 0.40 kN/m 2(3) 基本风压 w 0 0.45 kN/m 2(4) 复合屋面板自重 0.15 kN/m 2(5) 檩条自重 查型钢表 (6) 屋架及支撑自重 0.12+0. 01l kN/m 28. 运输单元最大尺寸长度为9m ，高度为0.55m 。 二、屋架几何尺寸的确定 1.屋架杆件几何长度 屋架的计算跨度mm L l 17700300180003000=-=-=，端部高度取mm H 15000=跨中高度为mm 1943H ,5.194220 217700 150020==?+ =+=取mm L i H H 。跨中起拱高度为60mm （L/500）。梯形钢屋架形式和几何尺寸如图1所示。
浅谈工程量清单模式下钢结构工程中钢管的造价审核 近年来，我国经济有了突飞猛进的发展，随着经济的发展带来了建筑业的空前繁荣，一些大跨度、超高层建筑应运而生。建筑物中运用钢结构种类越来越多，目前世界上最高、最大的结构采用的都是钢结构，厂房、桥梁、住宅、工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑也越来越广泛地运用钢结构。这也是钢结构自身具备如下良好的特点所决定的： 1．钢结构构件安装方便，受气候影响小； 2．施工过程中无需养护，施工工期短； 3．结构自重轻，抗震性能好； 4．外型美观，美化居住环境，布置灵活，建筑功能高； 5．符合环保和可持续发展要求，污染小，可回收再生。 下面将论述工程量清单模式下钢结构工程的造价审核流程及计算方式。 根据《建设工程工程量清单计价规范（GB50500－2008）》附录A（建筑工程工程量清单项目及计算规则）中第一项（实体项目）的A.6条（金属结构工程）工程量计算规则为：“按设计图示尺寸以质量计算。不扣除孔眼、切边、切肢的质量，焊条、铆钉、螺栓等不另增加质量，不规则或多边形钢板以其外接矩形面积乘以厚度乘以单位理论质量计算。”或“按设计图示尺寸以铺设水平投影面积计算。”（压型钢板楼板）或“按设计图示尺寸以铺挂面积计算。”（压型钢板墙板）。 以面积为计量单位的工程量计算规则比较简单，在此不再赘述。以质量为计量单位的工程量计算规则较为复杂，而其中以圆钢管的工程量计算方式最复杂，下面我将重点论述圆钢管的工程量计算方式。 首先，介绍一下钢结构中圆管的加工步骤： →→→→
→→→→ →→ 根据审核后的深化设计，以1∶1的比例绘出零件实样，并制作成轻而不易变形的样板；以样板为依据，在制作完成的钢管上划出实样，再将钢管按照要求的形状和尺寸进行切割。 《建设工程工程量清单计价规范（GB50500－2008）》的工程量计算规则主旨为计量形成工程验收的实体。目前一定比例的钢结构深化设计图纸所标注的尺寸为杆件的轴线相交尺寸，但副管并未伸入至主管内，仅冠至主管表面进行焊接，
历届结构设计竞赛优秀作品选登（高层结构设计） 缆约 洪磊、谭松林、戚雯 1、设计说明书 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。 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： 兼顾材料性能、用量方面的要求，以及高宽比(H/B <5)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 图 1-5 图 1-6 图 1-7 图 1-8 图1-9