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2011 年第五届全国大学生结构设计竞赛

计

算

书

参赛作品：腾飞塔

指导老师：孙清

参赛队员：索思 朱彪彪 路金波

西安交通大学

2011 年10 月19 日

一、结构选型

根据题目要求，对可能的几种结构形式——框架结构、桁架结构、框-剪结构、框

架-筒体结构进行了初步分析，认为：

1)结构高宽比约为 4.5:1 ，没有必要采用框-剪结构或框架-筒体结构。而且剪力墙

片(或筒体)构件的自重大，不是经济设计。

2 )框架结构是最简单的结构形式，结构自重轻，制作方便，空间开敞，便于安放

铁块，而且结构刚度可通过柱刚度灵活调整，便于考虑水箱的减震作用，可尝试采用。

3 )当结构承载大较时，框架结构对柱刚度要求较高，可能导致柱截面尺寸过大，

影响经济性。此时应进一步考虑增加斜撑或拉杆，形成空间桁架结构，可以优化结构刚

度分布，达到减轻自重的目的。

为此，针对4 柱框架结构和4 柱加拉杆的框架结构，采用简化方法计算了满载(1~3

层10kg )和三级加载时的地震内力和侧移。对比后认为，在相同承载力条件下后者比前

者结构自重更轻，因此最终决定采用4 柱加拉杆的框架结构。

二、结构建模及主要计算参数

2.1 结构建模

从制作简便、减轻结构自重角度出发，经过多次试算、试验和调整，确定结构方案

如图2.1 。

说明如下(几何尺寸单位：mm )：

 1~4 层各层净高336、220、220、220 。

 楼板为 1.0 厚度板，由2 层0.50 板材粘贴形成边长为220 的正方形楼板。为减

重，在保证铁块放置的前提下中间做适当的镂空。

 每层4 根柱子，柱距(外沿)200 。2~4 层柱截面为空心圆截面，外径10、内径

5，由0.35 板材卷成；柱上、下端各20 范围为销钉，形成实心圆截面。底层柱

为空心圆截面，外径10、内径5 。

 2~4 层每层每侧设置X 型斜拉杆。拉杆为厚0.35、宽5 的薄条板。拉杆两端在

距离柱上(下)端粘贴在柱表面(力学简图为铰接)。

 底层各面设置 2 个斜撑，为实心圆截面，直径 7，斜撑上端连接柱表、下端粘

贴在底板上，两斜撑的倾斜度依据底层侧里面具有120×120 空间确定。

2.2 材料参数

材料平均密度 650kg/m3 (根据实际模型秤重和体积估算得到)；材料弹性模量

3

10GPa ；结构阻尼比0.05 ；水密度1000kg/m 。

2

图2.1 结构模型示意图

3

三、受荷分析

3.1 简化静力计算

按照底部剪力法确定地震作用。假设同层柱顶侧移相等，拉杆、斜撑两端为铰接，

 2 

 d d

确定柱、拉杆、斜撑的抗侧刚度。A 1 2

c 4

1、构件参数

 2 2   2 2 

 d d  d d

1 )柱：截面面积A