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
基于上述对结构模型的力学和美学需求分析，我们采用空间刚性框架和拉索结合的结构形式。

以下分别对竖向承重体系和横向抗侧力体系进行详细说明。

1.2.1竖向承重体系
（1）顶层水箱
在模型结构中，顶层水箱产生的重力荷载主要由顶层斜立柱和横梁构成的结构体系来承担。

（2）楼面铁块
根据设计任务要求，每层楼面处都必须放置铁块，而且对铁块的有效覆盖面积进行了要求。

根据设计任务补充说明，楼面处只要能够支撑铁块即可，不一定要设置楼面板。

因此，为了节省材料，减轻结构自重，结构模型拟采用设置平面拉索的形式来作为承受铁块重力荷载的承重体系。

为了防止出现结构设计中禁忌的瞬变体系，平面拉索在张拉的时候不完全拉紧，而让平面拉索在铁块自重作用下，可以产生5mm以内的小变形，这样不至于在平面拉索内产生过大的拉力。

铁块重力荷载的传力路径如图1所示：
图1铁块重力荷载传力路径
1.2.2横向抗侧力体系
模型结构在模拟地震动作用下，水平力主要由横向抗侧力体系来承担。

而水平作用是本次比赛加载过程中会对结构产生破坏的主要因素，因此如何架构模型结构的横向抗侧力体系是结构选型中的重中之重。

本小组通过查阅相关文献和进行前期探索性试验的基础上，结合美学的设计目标，拟采用空间刚性框架和侧立面拉索形成模型结构的横向抗侧力体系。

刚性框架的立面形状为一梯形，在水平作用下由于楼层处铁块重力荷
2。