西南交通大学
第三届研究生结构设计竞赛（结构抗风组）
设计理论方案
目录
一设计说明书 (3)
1 设计概况 (3)
1.1基本概况 (3)
1.2加载过程 (3)
1.3 设计材料 (3)
1.4 设计要求 (3)
1.5使用工具 (4)
2方案构思 (4)
2.1 结构类型简介 (4)
2.2结构力学性能简介 (5)
2.3结构选型 (5)
3 制作流程 (5)
4特色处理 (5)
二方案设计图 (6)
三计算说明书 (7)
1模型的整体受力计算 (7)
2模型材料参数及风荷载计算 (7)
3静力计算结果分析 (8)
3.1结构变形图 (8)
3.2结构轴力图 (9)
3.3.结构弯矩图 (10)
3.4.底部剪力图 (12)
3.5结构扭转变形图 (12)
4结构动力特性 (13)
5 结构优化处理方案 (14)
参考文献 (14)
一设计说明书
1 设计概况
1.1基本概况
本次竞赛题目为“研究生结构抗风竞赛”。
竞赛内容包括：结构设计、结构模型制作、作品介绍与答辩、模型风洞试验。
其中模型加载项目包括4.5m/s的风速，6.5m/s的风速，9.5m/s的风速，风向垂直于广告牌，在风洞实验室进行加载。
1.2加载过程
（1）首先施加4.5m/s的风速作为预载，风向垂直于广告牌。
观察模型的响应。
（2）在预载的基础上，将风速提升至6.5m/s，风向垂直作用于广告牌正面。
采用激光位移计测量模型的动态位移。
位移测试的时间为32s。
（3）在第一阶段6.5m/s的风速基础上，再将风速提升至9.5m/s。
采用激光位移计测量模型的平均位移和动态位移。
位移测试的时间为32s。
1.3 设计材料
组委会将统一提供桐木条（4×3mm）、铅发丝线和AB胶，广告牌，底板5种材料，各参赛队设计、制作模型仅限于使用以上材料，除此之外不得自行使用其他材料。
其中桐木条尺寸为：4mm×3mm×97mm，广告牌的规格尺寸为：600mm（长）×300mm （宽）×3mm（厚）；木质底板规格为：250mm（长）×250mm（宽）×10mm（厚）。
1.4 设计要求
结构的类型不限，高度为1.2m（含广告牌在内），正负误差不超过1cm。
底部尺寸要求在（150×150）mm 范围内，形状不限，但不可超出此范围。
如图所示；
图1-1 竞赛示意（图中结构形式仅为示意）
1.5使用工具
美工刀，锉刀，夹子，锯条，砂纸等。
2方案构思
2.1 结构类型简介
户外广告牌种类很多，按结构形式可以分为：墙面广告牌、屋顶广告牌和落地广告牌三种形式，如图1所示;在现实生活中，广告牌一般采用钢结构，对于落地式广告牌，面板采用空间桁架或网架结构，立柱为大直径钢管或格构式钢结构柱。
a）墙面式广告牌 b）屋顶式广告牌 c）双面单立柱广告牌
d）单面多立柱广告牌 e)三面格构柱广告牌 f)三面单立柱广告牌
图1-2 典型广告牌样式图
2.2结构力学性能简介
广告牌设计主要由基础设计及上部结构设计两部分，主要考虑自身结构安全以及风荷载对其的影响，同时考虑广告牌架体的防腐耐久性能、满足地基承载力的设计条件要求等系列问题。
对于高耸广告牌结构来说，水平荷载（主要是风荷载）成为结构承受的主要荷载作用，另外结构高宽比较大，整体抗侧刚度比较小，具有高柔的特点，因此风荷载作用下结构侧移及内力计算成为广告牌设计的主要问题。
2.3结构选型
结合各类广告牌的受力特点，模型材料种类和制作可行性，我们选取了格柱式广告牌设计方案，上部结构由两部分组成，分别为主体结构。
3 制作流程
1、建模分析
2、预制杆件
3、拼接
①拼接三角桁架;②加固三角桁架的重要节点;③固定广告牌;④连接支座
注意事项：1、三角桁架的杆件在粘接时使用夹子固定，待AB胶水凝固干之后方可取掉；2、固定广告牌时要保证广告牌垂直于底板
4特色处理
（1）格构式立柱结构
采用格构式梯形立柱，结构形式美观，下部面积大，上部面积小，各杆件受力合理，荷载传递路径清晰，充分利用了木材的力学性能；同时通过设置大量斜腹杆，保证结构的横向、纵向刚度，使主要受力构件所受作用有效传递至其他构件，同时也避免风荷载作用下结构扭
曲破坏。
（2）结构与广告牌的连接
采用适当的横撑来承担不传递广告牌所受风荷载，同时对横撑给以适当加固保证其稳定性；同时考虑到广告片下边缘有可能受拉力较大，使用AB胶粘接的同时，采用杆件加固；
（3）结构基础的连接
广告牌结构类似于竖向悬臂梁，其基础受弯矩、剪力很大，但设计时最易忽略的就是其抗拔力设计，为此我们将基础设计为“田”字形，以增大其与底板的接触面积，增加其抗拔和抗剪能力。
二方案设计图
立柱结构为空间六面体形状，其左侧面、迎风面、背风面、及右侧面形状及尺寸如图2-1所示。
图2-1 方案设计参考图
三计算说明书
1模型的整体受力计算
为了确定各个杆件的受力情况，我们使用了大型有限元分析软件ABAQUS进行了模型的受力分析。
尽管实际模型中所粘接节点不能承受弯矩，但考虑到模型的各个杆件的所受的弯矩非常小，所以计算中我们将所有节点看成刚节点，以简化分析，风荷载作为一个面荷载加载在广告牌上。
计算模型如图3-1所示：
图3-1 计算模型图
2模型材料参数及风荷载计算
参考相关文献，模型所用材料力学参数及风荷载转化后的静力荷载值的大小如下所述。
1、桐木条的力学参数：
表3-1 桐木条材料参数
2、广告牌的力学参数
表3-2广告牌材料参数
3、风荷载
模型主要承受水平风载，所加风载速度分别为4.5m/s ，6.5m/s ，9.5m/s ，分别将其转化为静力荷载加在广告牌上，风压计算公式为：
16002
v p （1） 3静力计算结果分析
计算模型的受力分析结果如下：
3.1结构变形图
图3-2 水平风载速度为9.5m/s作用下位移等值图（mm）由图可见，本结构刚度很大，位移主要发生在广告牌边缘处最大位移仅为2.3386mm.
3.2结构轴力图
图3-3 水平风载速度为4.5m/s作用下轴力图（N）
图3-4 水平风载速度为6.5m/s作用下轴力图（N）
图3-5 水平风载速度为9.5m/s作用下轴力图（N）
由结构轴力图可见，迎风侧主要受力构件主要受拉，背风侧主要受压，且底部轴力最大，随着高度的增加递减。
3.3.结构弯矩图
图3-6 水平风载速度为4.5m/s作用下弯矩图（N·m）
图3-7 水平风载速度为6.5m/s作用下弯矩图（N·m）
图3-8 水平风载速度为9.5m/s作用下弯矩图（N·m）
由弯矩变化过程可以看出，弯矩较大位置主要在广告牌与主体结构连接部位，以及桁架上部第一梯段，此外，在结构底部支座也会产生较大弯矩。
3.4.底部剪力图
图3-9水平风载速度为9.5m/s作用下剪力图（N）
底部剪力最大值为21.48N，与实际计算结果很接近。
风荷载作用下，最大剪力主要出现在X方向，由于结构底部弯矩也较大，在设计中应有所加强，防止其发生弯剪破坏。
3.5结构扭转变形图
图3-10 水平风载速度为6.5m/s作用下扭转变形图
4结构动力特性
结构在风荷载作用下，产生风振效应，对其进行动力分析，构的动力特性主要包括结构的自振周期、各阶振型及阻尼系数等,它们主要由结构的组成形式、结构刚度、质量分布和材料性质等决定，由于该建筑高宽比高达，所以以水平荷载为主要荷载,所以其水平振动特性具有决定作用。
考虑阻尼对一般结构的频率影响很小，所以在考虑结构自振特性时略去阻尼因素来确定结构周期和振型。
A）一阶振型
B）二阶振型
C）三阶振型
图3-11 结构振型示意图
5 结构优化处理方案
以上分析结果表明，本结构的整体稳定性很好，但也存在局部受力不良处。
薄弱环节主要出现在结构上部与广告牌连接处，以及结构基础与底座连接部位，为避免发生破坏，应对这些部位进行优化，采取适当加固措施，使结构整体受力较好，防止受力集中现象发生。
参考文献
【1】结构力学（Ⅰ、Ⅱ）龙驭球，包世华，匡文起，袁驷编著北京：高等教育出版社，2002.7
【2】材料力学（Ⅰ、Ⅱ）孙训芳，方孝淑，关来泰编著北京：高等教育出版社，2002.8 【3】房屋建筑工程—设计与施工彭伟，黄云德著成都：西南交通大学出版社，2005.9 【4】曹勃.户外广告牌抗风能力的计算与与结构优化宁波职业技术学院学报，13（2）. 2009.4,
5-59。