1、第六屆結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)學(xué) 院：土木工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：工程力學(xué)09-01班組 別：第3組組 長(zhǎng)：徐 寧成 員：張小樂(lè) 錢(qián)亞運(yùn) 呂玉玲季 剛 王巍樺 余俊師目錄一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙蠖?實(shí)驗(yàn)設(shè)備三、 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透攀鏊摹?競(jìng)賽規(guī)則五、 實(shí)驗(yàn)步驟六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析七、 小組成員分工八、 參考資料一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?一)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)制作一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。在滿足下列要求的前提下，可以自由設(shè)計(jì)模型的形狀及構(gòu)造：1. 模型必須至少有4個(gè)平面樓層，樓層是以紙張制作，支撐的方式可以自由設(shè)計(jì)。一個(gè)平頂可視為是一個(gè)樓層。木板底座可以當(dāng)作是模型的基礎(chǔ)。 2. 模型總樓板面積必須在1

2、000至1800平方厘米的范圍之內(nèi)(不含底板面積)。模型總樓板面積包含內(nèi)、外柱的截面積。每層樓板面積不得小于200平方厘米，樓層面積小于200平方厘米的不計(jì)入面積。為節(jié)省裁判量測(cè)計(jì)算樓層面積的時(shí)間，每一個(gè)組應(yīng)完成一張草圖，讓裁判事先了解該樓層面積的計(jì)算方式。 模型樓板的中間不能有妨礙放置荷重塊的柱子等結(jié)構(gòu)。3. 每一樓層凈高(即該樓層頂部與其上樓層底部之間的距離)不得小于10厘米，第1層凈高不少于15厘米，模型總高不超過(guò)80厘米。 4. 在真正的建筑物中，每一層樓都會(huì)有窗戶。在模型每一樓層的外圍，每一側(cè)必須留有開(kāi)口，開(kāi)口面積不小于外表面積的一半，在開(kāi)口范圍內(nèi)不能安置任何材料，并且便于荷重塊的放

3、置與取出。5. 模型中的每一樓層的每平方厘米必須能夠承受 10 克的重量，模型必須能夠同時(shí)承受每一層樓所應(yīng)承受的總重量。6. 模型的每一個(gè)樓層必須有放置荷重鐵塊的固定架，用于模擬載重的鐵塊必須固定在每一層樓層位置。模型在進(jìn)行人造地震實(shí)驗(yàn)之前，必須先將鐵塊安置在固定架上。如果鐵塊從模型中脫落，該模型即喪失比賽資格。鐵塊與固定架之間必須留有一點(diǎn)空隙，以方便鐵塊的取出與安放。每一個(gè)鐵塊的尺寸大小會(huì)稍有不同。1個(gè)荷載鐵塊的尺寸約為100×150×10毫米。（二） 材料 1. 10根2米長(zhǎng)的木條，其斷面約為6×15毫米。 2. 乳膠1瓶。 3. 木質(zhì)模型底板。木板厚度約0.

4、6厘米，長(zhǎng)與寬分別為25厘米乘25厘米。除了必要的鉆孔之外，木板必須保持完整。底板的中心有一個(gè)直徑為16毫米的孔，用于實(shí)驗(yàn)時(shí)與振動(dòng)臺(tái)連接。 4. 適量的廢舊紙張（只能用于樓面），為了環(huán)保必須使用舊紙張。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）河北工程大學(xué)振動(dòng)臺(tái)河北工程大學(xué)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備采用從英國(guó)SERVOTEST公司引進(jìn)的伺服液壓式振動(dòng)臺(tái)。該振動(dòng)臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)下列所示。（2）河北工程大學(xué)振動(dòng)臺(tái)主要參數(shù)： 1.臺(tái)面尺寸：3m×3m 2.最大載重量：10t 3.工作頻率：0.250Hz4.震動(dòng)方向：水平方向單自由度振動(dòng)5.振動(dòng)波形：各種地震波、隨機(jī)、周期波6.最大加速度：滿載時(shí)最大加速度為1.2g7.最大速度：1

5、.0m/s（地震波速度指標(biāo)1.0m/s持時(shí)20秒；連續(xù)速度指標(biāo)0.5-0.6m/s。）8.最大位移：±100mm9.最大傾覆力拒：30tm10.最大偏心力矩：100 kN·m 左右三、 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透攀觯?）模型簡(jiǎn)述1.模型采用八邊形平面結(jié)構(gòu)，共有五個(gè)承重層。總高度72cm，單層面積245.6cm2,自重1.47kg。平面布置力求對(duì)稱，豎向布置力求均勻。2.采用八邊形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，柱的單向慣性矩較大，與另一方向形成互補(bǔ)，使模型在各個(gè)方向均有較大的抗彎剛度。3.梁柱連接點(diǎn)采用銷釘連接，在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，節(jié)省了材料。4.由于八個(gè)柱的平面布置較為理想，在加上墊塊之后，可直接固定

6、荷載鐵塊，從而免去了其余大量的固定物。（2）預(yù)計(jì)可能的破壞順序：1銷釘連接處膠水先失效；2板與柱連接失效;3銷釘斷裂；4柱腳或底板開(kāi)裂；5結(jié)構(gòu)散開(kāi)垮塌，模型最終破壞。另外，模型也可能由于共振和嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形而破壞。第六屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽模型參數(shù)表模型編號(hào)17模型名稱天極塔班級(jí)小組工程力學(xué)09-01班 3組成員：徐寧，張小樂(lè),錢(qián)亞運(yùn)，呂玉玲，季剛，王巍樺，余俊師模型總高（mm）720第1層凈高（mm）160第2層凈高（mm）110第3層凈高（mm）110第4層凈高（mm）110第5層凈高（mm）100模型總面積（mm2）24560*5=122800第1層面積（mm2）24560第2層面積（mm2）2

7、4560第3層面積（mm2）24560第4層面積（mm2）24560第5層面積（mm2）24560模型自重（g）1470附加質(zhì)量總重（g）（組委填寫(xiě)）加罰質(zhì)量（g）（組委填寫(xiě)）1層附加質(zhì)量（g）2層附加質(zhì)量（g）3層附加質(zhì)量（g）4層附加質(zhì)量（g）5層附加質(zhì)量（g）加權(quán)值1加權(quán)值1加權(quán)值1.5加權(quán)值1.5加權(quán)值2實(shí)驗(yàn)加速度峰值（g）最大峰值加速度4.2g模型效率計(jì)算：W=(W1+ W2)×1+ (W3 + W4)×1.5+W5×2 =(3.3+ 3.3)×1+ (3.3+ 3.3)×1.5+3.3×2 =23.1（kg），模型自重M1

8、=1.47(kg)，加罰質(zhì)量M2=0，g備注四、 實(shí)驗(yàn)及競(jìng)賽規(guī)則（一）競(jìng)賽規(guī)則1、每個(gè)小組應(yīng)交設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)一份。2、每個(gè)小組應(yīng)按時(shí)間要求進(jìn)行模型展示和實(shí)驗(yàn)。3、模型實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行模型稱重，并進(jìn)行記錄。4、由組委會(huì)確定模型振動(dòng)的方向。按振動(dòng)方向?qū)⒛Ｐ桶惭b在振動(dòng)臺(tái)上。5、按模型各層面積加載附加質(zhì)量 ，數(shù)量為10g/cm2。6、振動(dòng)臺(tái)施加人工地震，共7次，加速度最大峰值分別為0.2g,0.3g,0.4g, 0.5g,0.6g,0.7g,0.8g。（二）實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)1在振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，模型發(fā)生以下現(xiàn)象，即判定模型破壞，激振強(qiáng)度按上一級(jí)加速度值計(jì)算。 （1）模型中的任何一個(gè)樓層發(fā)生坍塌現(xiàn)象。 （2）荷載塊飛出模

9、型。 （3）模型的結(jié)構(gòu)與底板已分離且發(fā)生脫離底板的晃動(dòng)。 （4）半數(shù)或半數(shù)以上的柱子已脫離底板。 （5）其它裁判認(rèn)為結(jié)構(gòu)已破壞的狀況。 2模型效率評(píng)定模型效率系數(shù)a-模型實(shí)驗(yàn)的加速度峰值，如模型在0.6g時(shí)破壞，則a=0.5g。W-模型等效附加荷載值，W=(W1 + W2)×1+ (W3 + W4)×1.5+W5×2+W1、W2分別為第1、2層等的荷載值。系數(shù)1、1.5、2等為加權(quán)值，第1、2層的加權(quán)值為1，第3、4層的為1.5，5層以上的為2。M-為模型的總質(zhì)量，包括模型的自重M1和因違反規(guī)定加罰的質(zhì)量M2，加罰的質(zhì)量由裁判決定。（三）設(shè)計(jì)計(jì)算評(píng)價(jià)各組提交的文件

10、：1 設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)；2 展示用創(chuàng)意說(shuō)明宣傳單；3 模型參數(shù)表；4 用于說(shuō)明個(gè)人工作的相關(guān)材料（筆記，圖紙，照片等）。五、 實(shí)驗(yàn)步驟1、4月17日（第9周周2）下午在校園內(nèi)展示所有模型作品2、4月24日（第10周周2）決賽上午8:00：提前將模型固定到振動(dòng)臺(tái)上；下午2:30：正式比賽。3、加載過(guò)程（主要）及模型響應(yīng)：第一次加載：最大峰值加速度0.2g，工作頻率0.210Hz；模型頂部晃動(dòng)，狀態(tài)穩(wěn)定。第二次加載：最大峰值加速度0.4g，工作頻率0.210Hz；模型頂部晃動(dòng)，狀態(tài)穩(wěn)定；有其他模型出現(xiàn)開(kāi)裂跡象。第三次加載：最大峰值加速度0.6g，工作頻率0.210Hz；模型頂部晃動(dòng)，狀態(tài)穩(wěn)定；第13組模

11、型破壞。第四次加載：最大峰值加速度0.8g，工作頻率0.210Hz；模型頂部晃動(dòng)加大，狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)損壞跡象。第五次加載：最大峰值加速度1.1g，工作頻率0.210Hz(有所增大)；模型頂部在加載中間階段晃動(dòng)劇烈，但未出現(xiàn)損壞跡象；有模型破壞。第六次加載：最大峰值加速度2.1g，工作頻率0.210Hz；模型初始階段晃動(dòng)幅度較大，狀態(tài)穩(wěn)定；沒(méi)有模型破壞。第七次加載：最大峰值加速度2.4g，工作頻率0.210Hz；模型初始晃動(dòng)劇烈，隨后狀態(tài)保持穩(wěn)定；第4組（六層）模型柱腳與底板脫離，模型失效。第八次加載：最大峰值加速度估計(jì)為2.8g(未說(shuō)明)，工作頻率0.210Hz(很高)；模型整體晃動(dòng)幅度不大

12、，開(kāi)始出現(xiàn)二階主陣型，狀態(tài)穩(wěn)定；有兩個(gè)模型破壞。第九次加載：最大峰值加速度大于等于3.0g，工作頻率0.210Hz(較高)；模型整體晃動(dòng)幅度較小，狀態(tài)穩(wěn)定。最后一次加載：最大峰值加速度4.2g，工作頻率0.210 Hz(較高)；模型整體晃動(dòng)幅度不大，表現(xiàn)為二階主陣型，狀態(tài)穩(wěn)定；其余兩組狀態(tài)穩(wěn)定。3、比賽過(guò)程圖片模型固定低頻率時(shí)振幅較大六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（1）實(shí)驗(yàn)中最大峰值加速度達(dá)到4.2g，模型未出現(xiàn)明顯破壞，狀態(tài)較為穩(wěn)定，取得了良好效果；（2）最后計(jì)算得模型效率系數(shù)為67.2，在同組模型中為第一；（3）最后拆下模型時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)：1四層銷釘連接處膠水已開(kāi)，成為鉸結(jié)，這與預(yù)期符合的較好；2.

13、所有銷釘均未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，說(shuō)明其強(qiáng)度完全滿足要求，這與計(jì)算結(jié)果一致；3底板及柱腳未損壞，好于預(yù)期效果，可能是由于上部結(jié)構(gòu)位移較大，耗能較多。4. 底板固定未出現(xiàn)松動(dòng)；5模型在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中未出現(xiàn)較明顯的扭轉(zhuǎn)變形。（4）模型在加載過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗震性能，完全體現(xiàn)出了最初的設(shè)計(jì)思路，最大的優(yōu)點(diǎn)在于：1八邊形平面結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定；且由于模型對(duì)稱性較高，在兩個(gè)方向剛度幾乎相同，沒(méi)有弱向；2銷釘連接，強(qiáng)度可靠，同時(shí)使模型節(jié)點(diǎn)在振動(dòng)過(guò)程中由剛結(jié)變?yōu)殂q結(jié)，改善受力性能；3柱的布置合理，鐵塊的固定完全不需要膠帶綁扎（第五層的墊塊在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)去掉）；4結(jié)構(gòu)整體性好，錯(cuò)層布置不會(huì)散架。七、小組成員分工（1）模型設(shè)計(jì)：徐寧、張小樂(lè)；（2）模型各構(gòu)件制作：徐寧、張小樂(lè)、錢(qián)亞運(yùn)、王巍樺、季剛、余俊師；（3）模型組裝、粘結(jié)：張小樂(lè)、徐寧、錢(qián)亞運(yùn)；（4）大賽宣傳海報(bào)、PPT制作：呂玉玲、徐寧；（5）設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫(xiě)作：徐寧。八、參考資料材料力學(xué)（第二版），單輝祖，高等教育出版