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[力学架构] No.8力学架构国赛题目示例

   第一届全国大学生结构设计竞赛

竞赛题目:高层建筑结构模型设计与制作

1.设计制作要求

(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)和白胶。不得使用组委会指定以外的其它材料。

(2) 模型尺寸要求

模型的长度不得大于2035mm,模型的外轮廓横向最大宽度不得大于300mm,桥面设置两个车道,每个车道宽不得小于100mm,因两车道之间设有行车导索,所以车道之间不能有立柱、拉索一类的构件。桥面以下的模型高度不得大于 150mm,桥面高差不得大于20 mm。桥面要求满铺且能承受加载小车的荷载。模型除与支座、两端下压板(提供竖向向下压力)、前端挡板(防止小车前进时模型滑移)接触外,不能与加载装置的其它部位接触。为保证小车能够顺利通过,模型应根据加载小车的尺寸,预留足够的通行空间,并能够满足给定的加载装置,请参赛队注意加载装置给定的条件。在两个跨中的左右两个车道中线以外要设置位移量测点,量测点处需有一个不小于10 mm与主结构有足够连接刚度、水平方向、面朝下的平面。

(3)支座条件

加载装置设置三个支座,位于一条直线上,外侧两个支座的中心距为 2010mm,中间支座位于外侧两支座之间的任意位置。支座沿顺桥方向宽度为 25mm,支座沿横桥方向长度为 300mm。三个支座均可为模型提供竖向支承,不提供水平作用力和转动约束。各支座均可以根据需要调整高度。外侧两个支座上方设下压板,可为模型端部提供竖向下压力。在小车行进方向前端,模型可以利用加载装置提供水平推力以抵抗牵引小车而产生的水平力,加载装置后端不提供水平力。

2.加载试验要求

(1)模型加载试验采用两辆重量相同的小车加载,分别行驶在同方向的不同的车道上。当第一辆车匀速行驶到离出发点为 1米时,第二辆车开始启动。每当小车到达模型较大跨跨中(如两跨相同,则为行驶方向第二跨)时,小车必须停止 10 秒钟,同时测量跨中的位移,然后再继续匀速缓慢通行。整个加载过程的总时间不得多于150秒。小车由参赛选手牵引,牵引过程中不允许接触小车。

(2)加载小车重量分为 6kg、7kg、8kg、9kg、10kg 五个级别,参赛队只有两次加载机会,赛前需预报第一次加载重量级别,第二次加载重量级别各队可视第一次加载情况现场决定。

(3)加载小车外轮廓最大尺寸为长200mm,宽90mm,高150mm,小车有前后两个车轮,车轮中心轴距离为120mm,前后轮均为圆柱体,圆柱长度为80mm,车体底平面距离地面15mm。

3.赛题解析

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 & belt truss)、筒体(tube)、巨型框架(Super Frame)等结构体系。

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,可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。

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,变截面有利于抵抗水平力比矩形柱状截面可减小 10%-30%的侧移。尽管顶面偏心可以提高结构整体的抗倾覆能力(提高约 5% ),但腹杆增加自重约 20% ,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。

第三届全国大学生结构设计竞赛

1.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)组成的叶轮直径800mm。

2. 模型介绍

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。

叶片和叶轮:安装完成后,叶轮外轮廓直径不得大于800mm。

3.材料及制作工具

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。

胶水:502;

制作工具:竞赛组委会提供美工刀、1m钢尺、砂纸、锉刀、小型锯子。

4.模型安装、加载及测试步骤

安装步骤:

(1)风叶通过螺栓安装在连接件上;

(2)塔架通过螺栓安装在底盘上;

(3)发电机通过螺栓安装在塔身上(注:发电机转轴方向可平行或正交于风向);

(4)风叶连接件与发电机轴通过定位鞘相连;

5. 加载及测试步骤

(1)参赛队代表1分钟陈述;

(2)打开风机置于 W1 档,计时 30s,测定发电功率 P1;

(3)将风机置于 W2 档,计时 30s,测定发电功率 P2和塔顶最大顺风向水平位移δ(单位mm);

(4)将风机置于 W3 档,计时 30s,测定发电功率 P3,观测塔身是否倒坍;

(5)加载结束。

6. 说明

结构以不倒(满足承载能力极限状态)为必要条件。若加载过程中发生下列任一情况,则视为加载结束:

(1)模型有部件脱离整体结构;

(2)模型在运动中碰到防护网。

7.赛题解析

此次结构设计竞赛模型为定向木结构风力发电塔。竞赛限定塔身高为800mm,叶轮直径为 800mm。竞赛目的是为了在满足竞赛要求的情况下,通过合理设计叶片形状和数目,使得风力发电机的发电效率最大,同时尽量保证发电塔的塔身结构材料消耗较轻,结构强度和刚度能够满足竞赛要求。这需要综合运用空气动力学、结构力学和材料力学等相关的力学知识。从结构刚度要求和节约材料角度出发,发电塔结构选择正三角形截面的格构式结构。其具有较好的刚度,同时在视觉上,以尽量少的杆件形成刚度较好的塔架结构,并通过合理的设计尽量减小杆件的截面尺寸,这样从各个角度观赏结构都具有较好的视觉效果。设计的结构模型效果参考如下。

结构位移变化计算!

第五届全国大学生结构设计竞赛

1.竞赛模型:带屋顶水箱的竹质多层房屋结构

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。(结构形式的选择)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,下图给出了一示意性结构图。

2.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。(是高有利还是矮有利)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.(每层层高对抗震的影响),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(加这些东西的影响)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。(何为内部,何为外部?外部可以加斜撑?)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25cm2(每层至少放一个铁块)。模型顶面为平面,应满足安全放置水箱的要求。

图 模型立面示意图(单位:mm)

图 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。

(3) 模型顶面上应放置水箱,且水箱内应至少注入 10cm 高的水。水箱尺寸的长、宽、高为15.5cm×15.5cm×25.7cm,容量为 4L。模型顶面不能放置铁块。

(4)模型试验仅在单一水平向施加地震作用,模型的抗侧体系应在计算书中阐述清楚。试验时模型放置方向按照安装底板标识(A 或 B,如图 3 中所示)通过抽签挑边确定。

3.加载与测量

3.1 输入地震波

本次竞赛采用振动台单方向加载,通过输入实测地震动数据模拟实际地震作用。振动台输入的地震波取自 2008 汶川地震中什邡八角站记录的NS 方向加速度时程数据,原始记录数据点时间间隔t为0.005s,即数据采样频率f为200Hz,全部波形时长为205s,峰值加速度581gal。截取原始记录中第10s~42s区间内的数据,并通过等比例调整使峰值加速度放大为1000gal,作为本次竞赛加载所用的基准输入波,如图6所示,其数据文件如附件3所示。

图  竞赛加载所用的基准输入波(32s)

3.2 荷载施加方式

竞赛加载共分三级进行。在三级加载中,通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波,以全面检验模型对于不同强度和频谱成分地震波作用下的承载能力。加载时功率放大器的增益(Gala)旋钮统一调至 90 度标识,此时三级加载的设备输入电压和数据采样频率控制值如下表所示:

注:上表中的台面最大加速度参考值通过连接于加载设备台面的加速度传感器测量得到,此时,振动台面上的竹模型附加了 24 块小铁块,台面位移未超限。实际输出的台面加速度峰值会因模型结构型式、附加铁块重量及布置方式的不同而存在一定差异。

3.3 台面振动加速度峰值的测量

在对每个模型的每一级加载过程中,都通过传感器对台面振动加速度进行实测。本次竞赛采用的加载设备所允许的台面最大位移为±8mm,若一些模型在加载过程中,振动台台面位移超限,致使台面与限位装置撞击,产生高频加速度分量,将会对结果产生影响。因此实测的台面振动加速度将经过滤波处理后输出,设定加载设备的滤波限值为低通 20Hz。加载过程

中,将实时显示该级加载下台面振动加速度的峰值 I,用于最终模型效率比的计算。

3.4 模型失效评判准则

在进行加载时,出现下列任一情形则判定为模型失效,不能继续加载。同时,将上一个加载级别视为该模型实际所能通过的最高加载级别,并作为模型效率比计算的依据(参见第七项:评分标准)。

(1) 第一级加载时:模型中的任一构件出现破坏;

(2) 第二级加载时:模型的主要构件——梁和柱中任一构件出现破坏;

(3) 第三级加载时:模型整体或任一楼层发生坍塌或任一柱脚脱离底板;

(4) 每一级加载过程中有铁块脱落或水箱飞出。

上述失效准则中的“构件破坏”定义为构件出现明显开裂、断开或者节点脱开。

4.模型材料

竞赛期间,承办方为各队提供如下材料及工具用于模型制作。竹材:用于制作结构构件。有如下两种规格:

竹材规格            款式

1250×430×0.50mm 本色侧压双层复压竹皮

1250×430×0.35mm 本色侧压双层复压竹皮

1250×430×0.20mm 本色侧压单层复压竹皮

竹材力学性能参考值:弹性模量 1.0×104MPa,抗拉强度 60MPa。

(2) 502 胶水:用于模型结构构件之间的连接及水箱与模型的固定。

(3) 热熔胶:用于铁块与模型的固定。

(4) 模型底板:底板厚度约 8mm,长与宽分别为 33cm 和 33cm。底板上除预设孔洞外,不得另行钻孔。

(5) 制作工具:美工刀、钢尺、砂纸、锉刀、改锥、小型锯子。

另外,承办方还提供公用的砂轮机等。

5.模型现场安装、加载及测试步骤

5.1 赛前准备

(1) 模型称重:将制作好的模型(不含底板、铁块和水箱)称重(精度 0.1g);

(2) 将模型安装在底板上,并将铁块固定在模型上,然后:

① 核查每层铁块的数目及覆盖面积是否与所提交方案吻合,(也就是说铁块数目和覆盖面积是我们预先假设并计算好的)?(学校会提供符合要求的铁块吗?什么规格的铁块)计算每层承受的附加铁块质量 Wi;统计水箱中的注水质量(WW);

② 进行高度测量,测出每一层所放置铁块的最底面至模型底板的垂直高度hi;测出模型实际总高度H;以上高度计量单位均为cm;

③ 根据式(1)计算模型等效负载重量We:

(3) 得到入场指令后,迅速将模型及底板运进场内,安装在振动台上,紧固螺栓,固定水箱,准备进行加载。赛场内安装时间不得超过 10 分钟。

(4) 以上过程由各队自行完成,赛会人员负责监督、标定测量仪器和记录。如在此过程中出现模型损坏,则视为丧失比赛资格。

5.2 加载及测试步骤

(1) 参赛队代表进行 2 分钟陈述,之后评委提问 2 分钟。

(2) 依次进行三级加载,每级加载完成后依据 4.4 的失效评判准则评价模型是否失效。

6.赛题解析

该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。

(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。

从竖向承重体系考虑:

(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。

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。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载的不同,层间必然产生相对位移,仅仅依靠刚性框架角部梁柱节点的刚度来抵抗水平剪力的作用势必耗费很多材料,从而加重了结构的自重。为此,在刚性框架的对角线位置上布置了侧立面拉索,这样可以有效利用竹材的抗拉性能来提高刚性框架的横向抗侧刚度。

虽然模型结构是平面全对称的结构形式,但是由于制作误差可能导致结构在荷载作用下产生扭转,这些侧立面拉索恰恰也可以起到防止结构发生过大扭转而导致失效的作用。

第六届全国大学生结构设计竞赛

1.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,如下图所示。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θ=30°),并提供统一的测量工具对模型的性能进行测试。

图 第六届全国大学生结构设计竞赛赛题简图

1. 模型要求

2.1 模型的楼层数:模型为四层吊脚楼(一层吊脚层+三层建筑使用层),模型应具有 4个楼面(含顶层屋面),每一个楼面的范围须通过设置于边缘的梁予以明确定义。

2.2 几何尺寸要求

(1)平面尺寸要求:建筑模型楼层净面积 L0×L0≥20cm×20cm,建筑模型外包面积L×L≤24cm×24cm 。与撞击方向垂直的模型立面柱子的轴心距为22cm±0.5cm。

(2)竖向尺寸要求:楼面层层高h =22cm±0.5cm ,楼面层净高h0≥20cm。吊脚层长柱高度hj=34cm±1cm,其净高不得小于31cm,净高范围内不得设置任何侧向约束。柱脚加劲肋不影响计算楼层高度。模型总高度H =100cm±1.5cm。

(3)其他尺寸要求:竖向承重构件允许变截面,但需保持竖向承重构件上下连续,所有受力构件截面长边(或者直径)均不得大于2.5cm 。

图 模型要求示意图

2.3 建筑使用要求:楼面层需满足基本的建筑使用要求,应具有足够的承载刚度,楼面层配重放置于楼面几何中心处。在模型内部,楼层之间(底部吊脚层除外)不能设置任何妨碍房屋使用功能(指建筑使用空间要求)的构件。

2.4 模型固定及加载要求

(1)模型固定要求:结构模型固定于33cm×33cm 的正方形底板上,结构底部固定点位置必须在底板上的限制区域内,不得越界。各队在主办方监督下统一安装底板,模型底部可以使用由主办方提供的热熔胶与底板连接,也可自行使用502胶水连接(除此以外不得使用超出规定的其他材料或者工具)。连接时,不允许对底板做任何开洞,切割,打磨,刮擦。柱脚埋入热熔胶区域不得超过1cm (注意:因模型底部固定而增加的质量,需计入模型自重)。

(2)模型加载要求:模型一层楼面承受撞击,前撞击板和后固定板必须与结构竖向承重构件在一层楼面区有效接触。一层楼面与撞击方向垂直的两个立面需保持平整,不得妨碍前撞击板和后固定板的安装。前撞击板和后固定板与一层楼面处的竖向承重构件的总有效接触面积不得小于4cm2。

3.模型的加载与测量

3.1 加载装置:加载台座,配重钢板(18cm×18cm×0.5cm ),撞击质量球(3kg ),前撞击板,后固定板,螺杆,螺栓。

3.2 测量装置:卷尺,电子称,加速度传感器,记号笔。

图 加载台座示意图

(1)——不锈钢半圆滑槽;厚度5mm,内半径为60mm,与水平成30°角,要求滑槽内壁光滑,尽量减少质量球下落时摩擦损失。

(2)——质量球;采用3kg铅球,直径为95mm±5mm。要求质量球滑至滑槽末端时,球心标高与一层楼面标高相差不超过5mm。

(3)——钢架;采用缀板连接两根槽钢(型号20b)形成格构式钢柱,用于支撑滑槽,并保证加载台座在平面内外的刚度以及稳定性。

(4)——水平段滑槽;为防止质量球回弹,二层撞击结构模型,故水平段滑槽需与水平线成3°夹角,滑槽末端应垫高10mm。

(5)——钢底座;与水平成30°角,斜面采用四根螺栓与结构模型的底板相连,右侧采用四根同规格螺栓与加载台座相连。

(6)——斜滑槽与水平滑槽圆角;为减少质量球下滑能量损失,该圆角半径不小于30cm,亦不大于40cm。

(7)——钢架底座;采用20cm钢板,以保证加载台座的稳定。

图 钢架示意图

3.3 模型的安装

图 模型安装示意图

(1)——模型与钢底座的连接各队在主办方工作人员监督下统一将结构模型与底板连接。选手入场后,将底板用4 颗螺栓固定于底座上。

(2)——模型与前撞击板和后固定板的连接在一层楼面与撞击方向垂直的两个立面上分别安装前撞击板和后固定板,前后板采用4根螺杆拉紧。

图 模型与前撞击板和后固定板的连接

前撞击板采用5mm厚钢板按上图所示制成,后固定板采用5mm厚钢板与硬橡胶粘接制成,硬橡胶长度为240mm,宽度为40mm,厚度为30mm。

螺杆直径为8mm,长度为370mm,每个螺纹区长度不小于100cm,前撞击板和后固定板的端头与一层楼面处的竖向承重构件的效接触面积分别不小于 2 cm2。

(3)——模型与配重的连接

楼面层配重(恒定配重,即配重M2和配重 M3)采用热熔胶与模型粘牢;在模型屋面层,放置一个上部开口,底面为19cm×19cm 的方形容器,容器与模型顶部用热熔胶粘牢。比赛时,可根据需要将规定数量的配重M1放入容器即可。(注:配重M1为可变配重)

配重M1,配重M2和配重M3均由配重钢板(18cm×18cm×0.5cm)按规定重量沿钢板厚度方向层层整齐累积实现。除顶层外,各楼层配重钢板之间均由热熔胶粘牢(热熔胶重量不计入结构承重)。

3.4 加速度测量

图 加速度测点示意图

加速度由加速度计量测加速度传感器采用热熔胶以及螺丝与前撞击板中部可靠连接,如上图所示。

3.5.模型撞击加载制度

竞赛撞击加载共分三级,每级采用质量球不同的下落高度,分别为40cm,80cm,120cm。

4.模型材料

竞赛期间,主办方为各参赛队提供如下材料及工具用于模型制作。

4.1 竹材,用于制作结构构件:

竹材规格               款式

1250×430×0.50mm 本色侧压双层复压竹皮

1250×430×0.35mm 本色侧压双层复压竹皮

1250×430×0.20mm 本色侧压单层复压竹皮

竹材力学性能参考值:弹性模量 1.0×104MPa,抗拉强度60MPa。

4.2 502胶水,用于模型结构构件之间的连接。

4.3 制作工具:美工刀,钢尺,砂纸,锉刀,改锥,小型锯子。

5.竞赛规则

5.1 各队模型制作完成后,主办方提供已经称重完毕的模型底板(质量为m1)。

5.2各队将模型固定于底板上,注意需满足模型固定要求。

5.3称量模型加底板总质量m2,计算模型自重m=m2-m1。

5.4得到入场指令后,各队队员需迅速将模型固定于加载台座上,并固定需装配到模型上的配重及加载装置,安装过程不得超过8分钟。

6.竞赛解析

结构要承受较大的竖向荷载和水平冲击荷载,考虑利用梁的抗弯性能和柱子的轴力来承受竖向荷载。水平冲击荷载对模型整体要求较高,要求模型有足够的稳定性,在质量球的撞击下不能倾覆,同时一层楼面处的梁及柱子要有较高的强度和刚度,保证构件不发生破坏。这种情况下,一层吊脚层就需要进行加固,保证能抵抗撞击力,同时,减少结构整体的刚度,使结构在受到撞击的时候,能够有一定的小振幅的震动,以此达到耗能的目的。结合以上的考虑,基本设计思路是:

框架结构具有轻质高强的特点,同时在便于制作,结构相对

较稳定,所以设计模型可考虑采用抗侧力框架结构。

制作模型时,在各层采用不同的加固方式,在吊脚层进行加

强加固,保证其稳定性,在二、三层适当降低结构整体刚度,特别是使模型在受到撞击时,能够在二层及其以上有一定的振动来起到耗能的作用。

  制作模型在“强节点弱构件,强柱弱梁”的原则下进行,尽

量利用小而多的构件设置合理的结构来抵抗荷载,避免单纯依靠单一构件的强度来抵抗荷载。

柱的结构选型:考虑到赛题的要求和实际情况中不同结构的受力性能的不同,以及结构性能及制作工艺,我们选用截面为四边形的空心柱,截面形状规则,制作起来就相对容易一些,同时空心柱材料主要分布在外围,使得柱子有较大的惯性距,抗弯性能好。梁的结构选型:梁的结构形式有许多种,如箱型、T 型、工字型、L 型等,考虑到一层梁与撞击方向一致,所以要有足够的抗压性能,于是选择箱型梁的形式。二、三层只承受较少的竖向荷载,对梁的要求不是很高,所以选择较小截面的箱型梁,这样在满足使用要求的前提下能够尽量地节省材料,降低模型自重,更加经济,同时,箱型梁具有较好的抗扭性能,这点箱型梁优于 T 型梁。顶层需要承受较多的竖向荷载,这样的话就需要有更高性能的梁,于是可选择较大的截面的箱型梁,同时内部加上一定数量的横向小片,进一步增强柱子的刚度。

拉条的结构选型:二、三层拉条的设置提高了结构的整体刚度,通过实验确定拉条的位置、尺寸及数量,改善模型的性能。

第七届全国大学生结构设计竞赛

1.赛题概述:双竹结构高跷模型

竞赛赛题要求参赛队设计并制作一双竹结构高跷模型,并进行加载测试。本次赛题的荷载并非事先确定的固定值或指定的荷载形式,而是在模型制作完成后各参赛队推选一名选手穿着由本队制作的竹高跷进行加载测试,参赛选手必须穿戴护掌、护肘、护膝和头盔,护具由各参赛队自行准备。

模型的加载分为静加载和动加载两部分,静加载的荷载值为参赛选手的总重量,以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率;动加载通过参赛选手进行绕标竞速来判断模型的承载能力,因此模型所受到的冲击荷载的大小、方向甚至荷载作用点都取决于参赛选手的质量、运动方式和模型的结构形式,对参赛队员的力学分析能力、结构设计和计算能力、现场制作能力等提出了更高的挑战。通过竹结构高跷模型的设计和制作,使学生在结构知识运用能力、创新能力、动手能力、团队协作精神等方面得到全面提升。

2.模型要求

模型整体包括竹高跷模型和踏板两个部分,其结构如图 1~3 所示。踏板固定在竹高跷模型顶面上,将来自参赛选手的荷载通过踏板A、B、C 三处实木条传递至模型。踏板由组委会提供。

2.1 竹高跷

竹高跷模型由参赛队使用组委会提供的材料及工具,在规定的时间、地点内制作完成,其具体要求如下:

(1)模型采用竹材料制作,具体结构形式不限。

(2)制作完成后的高跷结构模型外围长度为400mm±5mm,宽度为 150mm±5mm,高度为265mm±5mm;模型结构物应在图1所示的阴影部分之内。

(3)模型底面尺寸不得超过 200mm×150mm 的矩形平面。

图 模型结构区域图

2.2 踏板

踏板由组委会提供,其结构及尺寸如图2所示。踏板结构的面板为中密度板,面板上固定有A、B、C三根实木条,通过热熔胶与竹高跷模型固定。参赛选手用热熔胶将参赛鞋固定于踏板上,踏板上设有4个直径为 15mm通孔供穿绕系带(系带由组委会提供),以进一步固定参赛鞋(参赛鞋由各参赛队自备,建议选用类似轮滑鞋的可以保护踝关节的高帮鞋)。

图 踏板结构图

踏板与竹高跷模型固定后的模型整体高度应为300mm±5mm。如图 3 所示。在踏板与模型连接处的外侧(图3中的a、b 处)允许增加构造物以进一步提高连结强度,构造物的高度不得超过10mm。

图 模型整体图

3.模型材料及工具

3.1 竹材,用于制作结构构件。竹材规格及数量见下表.

表 3.1 竹材规格及数量

注:竹材力学性能参考值:弹性模量1.0×104MPa,抗拉强度60MPa。

3.2  502 胶水,10瓶(规格25克),用于模型结构构件之间的连接。

3.3 制作工具:美工刀(3把),1 米钢尺(1把),三角板(2块),砂纸(10张),锉刀(1把)、剪刀(1把)、手套(3付)、签字笔(1支)、铅笔(1支)、橡皮(1块)。

4.模型加载要求

模型测试时,参赛选手必须穿戴护掌、护肘、护膝和头盔,未穿戴护具的选手不得进行模型静加载和绕标测试。

4.1 静荷载

1)参赛选手穿着本队制作的竹高跷双脚静止站立于地磅称重台上,测量选手的总重量,称重台平面尺寸为 45cm×60cm,静加载的重量测量精度为 0.1kg。

2)若在静加载过程中出现下列任一情况,将视为静加载试验失败,退出静加载测试,则模型静加载测试得分为零:

(1)测试过程中选手无法保持静止站立,导致重量测量无法进行,但选手仍可参加下一轮的绕标测试;

(2)测试过程中结构垮塌,参赛队退出比赛。

注:称重时重量显示的末位数允许有1个字的跳动,此时的读数将取其平均值。

4.2 绕标竞速

1)要求参赛选手穿着本队制作的竹高跷进行图4所示的绕标跑或走;

2)在赛段的中点(离起点10米处)设有如图5所示的高度为35cm的木结构障碍板,要求选手在绕标往返过程中越过障碍板;

3)选手必须在两标杆之间越过障碍板,标杆为横截面4cm×4cm,高1.2m 的木杆;

4)选手在越障过程中除模型以外,身体的任何部位都不得触碰标杆。

注:在绕标竞速中,选手如遇摔倒,只需原地爬起再通过终点则加载成功。

图 障碍板结构图

5)若在绕标竞速过程中出现下列任一情况,将视为绕标竞速试验失败,模型绕标竞速测试得分为零:

(1)在绕标竞速中选手到达终点前高跷模型垮塌;

(2)在绕标竞速中因踏板与模型分离导致选手无法完成余下的赛程。

注:以上情形出现时如选手身体的一部分已越过终点而模型尚未越过终点,视为加载失败。

6)若该项过程中出现下列任一情况,则从该项得分中扣除5分:

(1)选手在越障过程中致使障碍板倾覆;

(2)选手在越障过程中除模型以外,身体的其它部位触碰到标杆(选手尚未到达障碍板前,或越过障碍后,因摔倒而碰到标杆除外)。

5.竞赛规程及要求

5.1 组委会将提供比赛所需的制作工具,各队不得自带工具进入制作现场。

5.2 组委会在制作现场指定的位置放置砂轮机和钢锯,供有需要的参赛队使用。

5.3 各参赛队要求在20小时内完成模型制作,并自行将组委会提供的已经称重完毕的踏板(质量为m1)固定于模型上。注意需满足模型固定要求,用于固定踏板和模型的热熔胶用量及构造物重量也需计入模型自重。

5.4 称量模型与踏板的总质量m2 ,计算模型自重m1 =m1−m2。

5.5 严禁任何形式的削减踏板质量的行为,违反规定的参赛队将取消其比赛资格。

5.6 每个参赛队在本队上场前 10 分钟可以开始进行场下准备,组委会将发放用于固定参赛鞋的系带,参赛队须在场下准备时完成护掌、护肘、护膝和头盔等护具的穿戴及安全检查。

5.7 比赛正式开始后,参赛队代表先进行作品陈述,时间控制在 2 分钟内,陈述完毕后回答评委提问,回答时间控制在 2 分钟内。然后参赛选手得到指令后入场,开始固定参赛鞋,选手穿戴完毕后依次进行静加载和绕标竞速测试。

6.赛题解析

由于静止加载时要以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率,所以尽量要减轻结构重量,因此结构不能太复杂,杆件数要尽量少尽量轻。绕标竞速时结构受动力荷载,所以要考虑到行走过程中结构底面会与地面形成一定的夹角、加速和减速的瞬间结构和地面的横向摩擦、以及落地的同时带来的冲击力等因素,因此结构不仅要受到竖直向下的力还要受到斜向的力、横向的力。所以结构需要承受来自多个方向的力。

为了便于行走,底面积不能太大。要在保持平稳和足够摩擦力的前提下,缩小底面积。根据赛题要求结构只能与踏板的三根实木条相接,因此要使结构所受的力集中到这三根实木条上。由于脚踝在左右方向上不易保持平稳,所以结构底面左右方向的长度不能太小。下图为建议采用的结构:

(更多的历年真题1~11届比赛真题,需要自取)

链接:https://pan.baidu.com/s/1_lL2WMM32U-GjTkzvIMZMQ

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力学架构是一个体现 土建类学生 理论与实践 

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