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1、第一届全国大学生结构设计竞赛设 计 方 案 作品名称 一米阳光 学校名称 西南交通大学 学生姓名 陈力波 学号 20011332 学生姓名 梁进贤 学号 20011315 学生姓名 李孝陶 学号 20012983 指导教师 李力 联系电话 13308020753 二五年五月二十八日在城市的森林我们挤在一起没有呼吸只希望在抬头的时候多见到一米阳光 目 录设计说明书一、 方案构思1二、 功能布局2三、 结构选型3四、 材料试验6五、 数据处理7六、 结构设计8七、 制作工艺9八、 特色处理10设计计算书一、 计算模型11二、 荷载分析11三、 内力分析12四、 承载能力估算14五、 破坏形式分析1
2、4参考文献15附件116附件218设计说明书l 方案构思科技的发展，人们意识形态中对高层建筑所具有的特殊标识性的认可，及其所具有的高容积率，在单位面积中获得的高投资回报率，使高层建筑在城市中具有了蓬勃的生命力。但他的密集发展也给城市带来了许多心理学以及社会学方面的矛盾。城市中鳞次栉比的高层建筑如同一片水泥森林，带来了城市小环境气候的变化；同时高大建筑特有的巨大阴影面积遮挡了大片的地面。抬头望去，细长的天空楚楚可怜；密密的高楼用他庞大的身躯遮挡了阳光。在下面渺小的人们，仰望着高大的水泥巨人压抑心情可想而知。我们需要阳光，我们需要一个好的城市、街区环境，我们需要获得高层建筑的内部使用空间。如何解决
3、矛盾、实现环境与利益的共赢，是我们的出发点。一米阳光不多，但可以给人带来温暖，如果在建筑中多了一米阳光，带来的将是冬日暖阳一个变截面的高层体量逐渐在脑海中形成，缓和的斜面洒满金色的阳光；纤细的体量带来的建筑透视感，减轻了人们对高层庞大体量的视觉压力；建筑的阴影面积减少了，让和睦的阳光自由倾泻在草地上l 功能布局高层建筑在城市中扮演着种种角色：商务、办公、酒店、餐饮、居住等。高层综合楼的出现更是在同一建筑中将多种功能重新组合，由于功能对建筑净跨度有不同的需要，如何实现高层综合楼空间的合理利用是建筑功能布局的重点。标准层平面方案采用矩形平面，平面尺寸随着高度的不同而不断变化，满足不同的功能跨度需求
4、。结构基于渐细筒体的概念，采用外框承载，室内有开敞的无柱空间。易于实现不同功能的平面布置方案。建筑立面是多种建筑艺术表现的混合体，通过水平、竖向、对角线斜构件的相互作用，而得到力量与稳定的视觉认识。立面的斜撑有助于形成稳定向上的渐细的体形。它们将整个结构与地面相连，从而具有安全感。渐细的形状和斜撑清楚地表现出建筑物的内在力量，使结构强度和建筑形式之间存在一种和谐的关系。这种结构美学的建筑，用最简单的语言表达出了结构的高雅，使其在城市环境中容易与其他建筑形成对比，建筑的标识性更强，具有一种明确的建筑艺术风貌。立面细节处理上没有使用浮华的建筑语言，只是运用幕墙材质的变化来强调结构的美。建筑体量是平
5、衡的、纤细的，表现手法简洁，实现建筑与结构的有机结合。建筑缓和的斜度增添了比例的美观，获得更多的采光面积多，符合重力和风荷载产生的应力流，加强了建筑的透视感。相比较直上直下的方盒子而言，视觉压力减小了。结合内部功能，这种渐细形式对建筑的多功能有一定的帮助，室内空间离窗户较近，利于直接采光通风。l 结构选型整体选型建筑物的结构体系不仅决定了将承受的竖向荷载传递到地基上的方法和抵抗侧向荷载的方法，而且是决定建筑物安全性和经济性非常重要的因素。建筑物常用的结构体系有框架结构及住宅中经常使用的剪力墙结构，高层建筑中有撑系框架（braced frame）、外伸及带状桁架体系（outrigger & be
6、lt truss）、筒体（tube）、巨型框架（Super Frame）等结构体系。结构体系的比较 （适合 一般 X不适合）设计要求FrameOutriggerFrame TubeBraced FrameSuper Frame控制水平位移的简便性XX重力体系对控制水平位移的效果X空间的自由布置及确保内部空间X确保公寓/宾馆的进深X开放下部大厅空间X结构立面与正面形状相互协调X柱弹性收缩问题XX连接节点过多与否（施工性）X本结构模型通过对不同结构形式的特性和优缺点进行比较，综合考虑了设计要求、模型制作的复杂性等因素影响，最终选择了撑系框架体系。撑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
7、传递侧向荷载和重力荷载，从而提高结构整体的荷重比，因此有效性很高。在这种体系中，水平剪力主要由腹杆而不是柱承受，而腹杆又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。局部选型1. 上部结构平面布置矩型截面工字型截面 首先使用运筹学软件Lingo8.0对工字型截面尺寸进行优化，选配出合适截面尺寸之后利用SAP2000 V9.04进行计算。经过计算发现工字型平面受荷时，杆件内力的确减小很多，构件截面尺寸可以折减一些。但是，由于腹杆数目增加导致结构整体自重争增加约一倍，结构建模及传力路径复杂，故最终没有采用，而采用矩
8、形截面。我们将柱布置在矩形的四个角隅以获得最大的抗弯刚度。立面布置 平行受荷方向变截面考虑到建筑功能对进深要求的不同，经过比较选择了逐渐向上缩小的变截面形式，而从其结构上看，符合内力分布曲线，受力更合理。由参考文献【4】，变截面有利于抵抗水平力，比矩形柱状截面可减小1030的侧移。经过倾覆计算发现（详见计算书），尽管顶面偏心可以提高结构整体的抗倾覆能力（提高约），但腹杆增加自重约，在荷重比上有些失利，故顶面尺寸采用最小限制顶面尺寸。 垂直受荷方向等宽尽管增加粱宽可以增大截面惯性矩（结构整体刚度），但是考虑相应腹板杆件的相应长度增加，且设计任务书对此方向没有刚度要求，只需满足结构整体稳定，最终决
9、定采用最小尺寸以减小结构自重。通过交叉张拉绳索施加一定的初张力，防止失稳。 支撑类型中心支撑系骨架（CBF）考虑任务书中对结构的侧移限制，故采用中心支撑系骨架，以获得较大的刚度。 斜杆体系人字型-V型交叠斜支撑最初设计中考虑每层均采用交叉斜杆，但由分析知，交叉斜杆在受到侧向荷载时一根受压、一根受拉。考虑到侧向荷载可能在两个方向随机加载，故其中必有一根（拉杆）不能充分发挥作用，且交叉部分制作、连接较为复杂；由参考文献【9】，对于塔架宽度较大时，采用人字型或V型斜支撑较为经济（考虑长细比限制）。为了进一步减小横梁弯矩，最终采用人字型-V型交叠斜支撑，这样结构立面也显得更加丰富。2. 基础刚性底板基
10、础经过倾覆计算（详见计算书），为了提供足够的抗倾覆力矩，基础尺寸必须用足。而在结构足迹范围内，由于基础深度有限制，且铁砂侧面摩擦系数较小，不可能采用桩基础或较小孔径的深基础，显然采用刚性底板基础是最合适的。如何在尽可能节约材料的情况下，提高基础自身的刚度，同时如何尽可能保证上部结构与其基础形式刚性连接，这是在本次设计过程中遇到最为棘手的问题。经过多次试验比较，最终选择了如图所示的基础形式。l 材料试验分析任务书所提供的具体材料力学性能指标后，得出：1. 均匀涂抹的胶水对纸的力学性能固化作用不可小视，对原材料有较大的改性效果。2. 任务书中所提供极限拉压应力只是针对单层纸而言，随着层数的增加，强
11、度会有哪些规律性的变化？简单的推算缺乏依据，需要相应的试验数据证明。3. 纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差；若将其制成薄壁型构件并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，多为压杆失稳状态的受力破坏，可承受一定弯矩。部分试验构件考虑到承载能力估算要求，为了得到更为准确的设计数据，我们制作了3种构件抗拉构件（宽度3cm，层数3、5、7层）和9种抗压构件（计算长度150mm内径6、8、10mm，层数3、5、7层），在强度与材料实验室MTS上分别进行了抗拉压破坏性试验。构件屈曲形态试验结果记录l 数据处理利用数学软件Mathematica 5.0对实验结果进行分类处
12、理，结果如下：拉伸试验结果层数12345极限拉应力（MPa）12.472916.749319.972922.143723.2616压缩破坏试验结果（单位：N）内径(cm)层数12345657.3081111.799163.474212.332258.3738101.094139.567190.619254.251330.46310265.581405.76512.097依据此结果适当折减，进行构件截面选配。l 结构设计构件截面尺寸的确定综合考虑了构件试验结果、内力分析结果及实际加载试验结果。设计结果见下表及构件详图：杆件数量标准长度(mm)制作长度(mm)截 面内径(mm)层数壁厚（mm）Z1
13、470801030.9Z24310.51243201030.9Z34465.76874801041.2Z44355.58683701051.512150170830.924165.53210830.932150170830.944176.26220830.952167.83210820.664180.67220830.972185.66230830.984185.41230830.992203.5240820.6104190.45230830.9112221.33260830.9124195.77240830.9132239.16280820.6144201.34240830.9152256.
14、99300830.9162280320830.9172150170830.9182150170820.6192150170820.6202150170820.6212150170820.6222150170830.9232150170830.9242150170830.9252150170830.9l 制作工艺1. 卷杆在制作过程中我们发现，在杆件外层初步粘结后，对杆件进行若干次单方向（卷杆方向）的搓动，杆件会利用白乳胶提供的初步粘结力内裹，使杆件的密实程度增加，几层纸共同受力。由于白卡纸自身硬度较大，通过在卷杆之前对白卡纸进行预卷数次，使其具备一定的预曲率，方便工艺进行。为保证杆件尽可能快地
15、风干，按照拼接的顺序卷杆。首先量取所需材料，并于纸上标注相应的标号。先卷出所有的柱，然后卷杆1、3和16，其余杆件按编号顺序卷；将卷好的杆件套于模具上，用冷风机吹干后取下，并用铅笔于杆中间标好杆件号，便于查找。2. 拼接及绑扎依据制作经验，杆件组装时由中间向两端或由一端向另一端组装时，尺寸不易控制，容易出现误差。为此，对拼接顺序做了一些调整，具体如下（以一片桁架为例）：a) 先将两侧的2根柱连接，保证整根柱子顺直；b) 为保证桁架两端的尺寸，先将柱子两端的横向联系杆件连上；c) 拼接其他横杆，保证整片桁架平直；d) 拼接斜杆；e) 同理拼接另一片桁架，然后用侧向连接杆件将两片桁架连接；f) 绑
16、扎节点，张拉绳索。制作顺序如图：3.基础基础的处理是重点。先用杆件作成一个具有一定刚度的平面框架，并用蜡线在框架上拉成网，然后用蜡线将各杆向上拉起，绑扎至柱子，这样，基础在蜡线的作用下有向上预拱度，再在网上铺上3层的卡纸。4. 风干及修饰用冷风机间断性地吹模型，让其尽快地干掉；按规定尺寸裁剪结点板,最后粘接。l 特色处理绳索的使用在本次比赛中，组委会提供了大量的蜡线，我们认为对这些蜡线的有效利用与否极大影响比赛成绩好坏。在模型制作过程中，我们除利用其对部分节点进行绑扎之外，同时在横梁中间穿线进行绑扎，在结构侧面、楼层平面交叉布置了较多的蜡线，以施加初始张拉力，显然，这样可消除制作误差导致拼接时
17、产生的空隙，使各杆连接更为紧密。此外我们在基础中张拉了大量的蜡线，以控制基础横梁位移。我们以为，腊线的有效利用对整个模型的承载及抗倾覆将起到积极作用。节点处理由内力分析结果（详见计算书），我们不难发现梁柱节点和部分横梁与斜杆相交处存在较大的剪应力，而相应的剪切变形在很大程度上关系到结构整体侧移。同时由于拉索初张力的存在，节点区相对应力集中。为了进一步控制节点变形，同时保证结构不发生局部失稳，我们在相应部分插入若干空心销进行加固，类似箱形截面的加劲肋作用，起到了不错的效果。设计计算书l 计算模型此类空间塔架的计算，考虑到弦杆（柱）截面强度和刚度要比腹杆（梁及斜向支撑），且构造具有连续性，因此考虑
18、弦杆为连续，腹杆与其铰接连接更为接近实际。根据任务书提供的材料力学性能指标及试验结果，使用有限元结构分析软件SAP2000 V9.04建立模型，进行分析计算，模型各杆件连接方式如图示：l 荷载分析将实际荷载简化为节点荷载，加载模式如右图。冲击荷载由参考文献【13】分析计算如下：在冲击过程中，物体G的速度由减至0，所以动能减少。又因为冲击荷载是沿水平方向的，故结构整体势能没有改变，杆件应变能为。由于结构在受到水平方向的冲击后将发生弯曲，所以其中为杆件在被冲击点处发生的冲击挠度，其与之间的关系为，由此可得。于是，可得杆件内部的应变能为，由机械能守恒定律可得，由此解得，那么动力放大系数；其中速度N/
19、m，为荷载落差，为相当于冲击物静荷载作用下构件顶端沿冲击荷载方向产生的位移，保守估计为15mm。将上述数值代入计算得到，故相当于N的静荷载加载于杆端。分析上述结果后，我们认为计算结果尚应进行折减。理由如下：其一，对于整个结构而言，在受到冲击荷载时，构件瞬间强度会增加，故不太可能发生因材料强度破坏导致结构失效；其二，当结构受到冲击荷载时，竖向荷载及基础中铁砂自重的存在是有利于结构抗倾覆的；其三，传递荷载的绳索刚度对结果影响也很大，而计算时考虑绳索完全刚性，应属最不利情况。综上，冲击荷载应该作适当折减，具体折减量无法准确计算，只能通过试验测量得到。l 内力分析（详细分析结果见附件表格）结构内力图如
20、下页所示，从中不难发现：1. 在抵抗倾覆力矩时，柱的作用有如弦杆，向侧向荷载处柱受拉，背侧向荷载处柱受压。2. 在抵抗水平剪力时，斜杆与梁的作用有如腹杆；斜杆受拉或受压，取决于其倾斜的方向。3. 由于体系为完全三角形组成的桁架（中心支撑系），横梁主要受轴向力；因为侧向荷载是随机加载，故支撑既可能承受压力，也可能承受拉力，故支撑按照更不利的受压情况设计。4. 合成变位图为弯曲与剪切曲线的组合，其中弯曲变位起控制作用。轴力图 剪力图弯矩图 变形图l 承载能力估算侧向荷载倾覆控制由参考文献【1】，对结构整体抗倾覆能力进行分析，对基础端部取矩可知：由临界状态可知令偏心矩在（单位：mm）范围内移动易知侧
21、向荷载限值在（单位：N）。适当折减后估计约100N（静载）。侧向荷载侧移控制由于受节点连接刚性程度、加载模式等因素影响，无法准确计算结构整体刚度，经过多次结构加载试验，估算为：1) 静荷载 100N2) 冲击荷载 60Nl 破坏形式分析由于各杆强度依据SAP2000 V9.04分析计算选配，而结点强度又有保证，而且设计时已考虑到失稳问题，并已加以预防，所以估计在承载的情况下，基本不可能出现任何形式的破坏。估计当承载继续增大很多时，可能发生局部屈曲构件破坏。参考文献【1】结构概念和体系 （美）林同炎 斯多台斯伯利SD著 高立人等译 北京:中国建筑工业出版社,1999.2【2】高层建筑设计 (美)
22、高层建筑和城市环境协会编著，罗福午等译 北京:中国建筑工业出版社,1997.7【3】高层建筑钢混凝土组合结构设计 （美）本格尼S塔拉特纳著 罗福午等译 北京:国建筑工业出版社,1999.11【4】建筑结构概念设计及案例 罗福午编著 北京:清华大学出版社,2003【5】高层建筑钢筋混凝土结构概念设计 方鄂华编著 北京:机械工业出版社,2004.9【6】高层建筑结构设计 方鄂华编著 北京:中国建筑工业出版社,2003【7】竖向建筑结构手册 SchuellerWolfgang著 袁勇译 北京:中国建筑工业出版,2002.12【8】建筑形式构成方法解析 戴俭编 天津:天津大学出版社,2002.8【9】
23、塔桅结构 王肇民，Peil.U编 上海:同济大学出版社,1989.12【10】现代高层建筑结构设计 赵西安编 北京:科学出版社,2000.1【11】土建结构优化设计 张炳华，候昶编著 上海:同济大学出版社,1998.3【12】结构优化设计 江爱川编著 北京:清华大学出版社,1986.12【13】材料力学（） 孙训芳，方孝淑，关来泰编著 北京：高等教育出版社，2002.8【14】结构力学（） 龙驭球，包世华，匡文起，袁驷编著 北京：高等教育出版社，2002.7附 件 1Table: Joint Displacements节点位移JointOutputCaseCaseTypeU1U2U3R1R2R
24、3TextTextTextmmmmmmRadiansRadiansRadians81DEADLinStatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000082DEADLinStatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000083DEADLinStatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000084DEADLinStatic0.0000000.0000000.0000000.0000000.0000000.00000085DEADLi
25、nStatic0.544848-2.727E-140.8069803.155E-160.0111482.193E-1686DEADLinStatic0.544848-2.727E-140.8069803.156E-160.0111482.202E-1687DEADLinStatic0.5461012.507E-14-0.982761-2.867E-160.0114582.205E-1688DEADLinStatic0.5461012.507E-14-0.982761-2.865E-160.0114582.181E-1689DEADLinStatic3.379225-8.291E-141.482
26、5474.057E-160.0188896.928E-1690DEADLinStatic3.379225-8.290E-141.4825474.055E-160.0188896.955E-1691DEADLinStatic3.4599667.378E-14-1.829653-3.446E-160.0188086.937E-1692DEADLinStatic3.4599667.378E-14-1.829653-3.445E-160.0188086.874E-1693DEADLinStatic6.464406-1.520E-132.0610975.596E-160.0273741.323E-159
27、4DEADLinStatic6.464406-1.520E-132.0610975.615E-160.0273741.337E-1595DEADLinStatic6.4659481.301E-13-2.621167-4.547E-160.0272851.328E-1596DEADLinStatic6.4659481.301E-13-2.621167-4.549E-160.0272851.316E-1597DEADLinStatic12.037614-2.270E-132.4969055.487E-160.0375502.185E-1598DEADLinStatic12.037614-2.270
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32、-170.0230091.408E-15124DEADLinStatic0.532618-1.123E-15-0.0783981.475E-170.0074832.175E-16125DEADLinStatic29.333013-6.062E-14-0.6341461.286E-160.0432974.271E-15126DEADLinStatic17.921850-3.488E-14-0.5179491.007E-160.0372483.187E-15127DEADLinStatic6.453980-1.057E-14-0.2862625.304E-170.0230091.408E-1512
33、8DEADLinStatic0.532618-1.006E-15-0.0783981.393E-170.0074832.178E-16Table: Joint Reactions上部结构根部节点反力JointOutputCaseCaseTypeU1U2U3R1R2R3TextTextTextNNNN-mmN-mmN-mm81DEADLinStatic-21.346.775E-15-174.62-1.271E-126.23-2.771E-1382DEADLinStatic-21.346.764E-15-174.62-1.270E-126.23-2.793E-1383DEADLinStatic-28.66-6.829E-15214.621.190E-128.47-2.825E-1384DEADLinStatic-28.66-6.845E-15214.621.192E-128.47-2.779E-13附 件 2正立面图 侧立面图轴测图 平面图结构布置图
