1、2011年三峽大學第二屆結構設計競賽賽題 一、競賽賽題競賽賽題：帶屋頂水箱的竹質多層房屋結構二、競賽模型競賽模型為多層房屋結構模型，采用竹質材料制作，具體結構形式不限。模型包括小振動臺系統、上部多層結構模型和屋頂水箱三個部分，模型的各層樓面系統承受的荷載由附加鐵塊通過實現，小振動臺系統和屋頂水箱由承辦方提供，水箱通過熱熔膠固定于屋頂，多層結構模型由參賽選手制作，并通過螺栓和竹質底板固定于振動臺上，圖1為示意性結構圖。圖1 模型示意圖三、模型要求2.1幾何尺寸要求(1)底板：多層結構模型用膠水固定于模型底板上，底板為33cm×33cm×8mm的竹板，底板用螺栓固定于振動臺上。

2、(2)模型大小：模型總高度應為75cm，允許誤差為±10mm?？偢叨葹槟Ｐ偷装屙斆嬷廖蓓?模型頂面)上表面的垂直距離，但不包括屋頂水箱的高度。模型底面尺寸不得超過22cm×22cm的正方形平面（見圖2），即整個模型需放置于該指定平面范圍內，模型底面外輪廓與底板邊緣應有足夠的距離以保證螺栓能順利緊固。(3)樓層數：模型必須3個樓層，底板視為模型第一層樓板。(4)樓層高度：每個樓層層高25 cm，允許誤差為±5mm。樓層層高是指該樓層主要橫向構件頂部與其相鄰的上一樓層主要橫向構件頂部之間的最小距離。第一層層高從底板頂面開始計算。柱腳加勁肋、隅撐及其他外立面構件不影響計

3、算樓層凈高。圖2 模型底板示意圖(單位：mm)(5)使用功能要求：樓層各層空間應滿足使用功能要求。在模型內部，樓層之間不能設置任何橫向及空間斜向構件(示例如圖3)，使鐵塊能順利放進模型。圖3 構件布置示例 (6) 樓層有效承載面積：樓層范圍為各承重分區最外圍樓層梁構件所包絡的平面。在樓層范圍內與樓面構件直接接觸的鐵塊的覆蓋面積定義為樓層有效承載面積，每個樓層有效承載面積均不應小于12*18 cm2。 (7)模型頂面應為平面，并滿足安全放置水箱的要求。若由于頂層尺寸不合適而導致水箱無法安裝，則模型判為失效，取消振動臺加載資格。 2.2模型及附加鐵塊安裝要求(1)利用熱熔膠將附加鐵塊固定在模型除底

4、層以外的各個樓層的樓面結構上，可在樓層上設置固定鐵塊輔助裝置，但輔助裝置和鐵塊不能超出樓層范圍且不能直接跟柱接觸。(2)提供大、小兩種規格鐵塊。大鐵塊長、寬、高約分別為12cm、6cm與3.2cm，重量為1800g。小鐵塊的長、寬、高約分別為6.0cm、4.5cm與3.2cm，重量為675g。由于加載設備限制，模型中附加鐵塊總重量不得低于15kg，不得超過28.5kg。鐵塊可以疊放。模型頂面不能放置鐵塊。(3)模型頂面上應放置水箱，且水箱內注入不低于10cm高的水(含水箱約2.6Kg)。水箱只允許豎直、正向(水箱蓋朝上)放置(水箱容量為4L，尺寸155mm×155mm×25

5、7mm中155mm×155mm為上表面盒蓋的外輪廓尺寸，而與模型頂層直接接觸的水箱下底面外輪廓尺寸為124mm×124mm)。（4）模型試驗僅在單一水平向施加地震作用。試驗時模型放置方向由參賽者自行確定。 四、 加載與測量4.1加載設備結構模型采用WS-Z30小型精密振動臺系統進行模擬水平地震作用的加載，考察模型承載力。 圖4 水平振動臺和激振器圖5 功率放大器4.2 輸入地震波本次競賽采用振動臺單方向加載，通過輸入實測地震動數據模擬實際地震作用。振動臺輸入的地震波取自2008汶川地震中什邡八角站記錄的NS方向加速度時程數據，原始記錄數據點時間間隔Dt為0.005s，即數據

6、采樣頻率f為200Hz，全部波形時長為205s，峰值加速度581gal。截取原始記錄中第10s42s區間內的數據，并通過等比例調整使峰值加速度放大為1000gal，作為本次競賽加載所用的基準輸入波，如圖6所示。圖6 競賽加載所用的基準輸入波（32s）4.3 荷載施加方式競賽加載共分三級進行。在三級加載中，通過控制加載設備輸入電壓和地震波數據采樣頻率獲得具有不同輸出峰值加速度和不同卓越頻率的地震波，以全面檢驗模型對于不同強度和頻譜成分地震波作用下的承載能力。加載時功率放大器的增益(Gala)旋鈕統一調至90度標識，此時三級加載的設備輸入電壓和數據采樣頻率控制值如下表1所示。表1 振動臺在臺面空載

7、工況下實際輸出的臺面最大加速度加載等級輸入電壓采樣頻率加載時間臺面最大加速度參考值第一級0.4V200Hz32秒0.353g第二級0.6V250Hz26秒0.783g第三級0.7V300Hz21秒1.130g注：上表中的臺面最大加速度參考值通過連接于加載設備臺面的加速度傳感器測量得到。實際輸出的臺面加速度峰值會因模型結構型式、附加鐵塊重量及布置方式的不同而存在一定差異。4.4 臺面振動加速度峰值的測量在對每個模型的每一級加載過程中，都通過傳感器對臺面振動加速度進行實測。本次競賽采用的加載設備所允許的臺面最大位移為±8mm，若一些模型在加載過程中，振動臺臺面位移超限，致使臺面與限位裝置

8、撞擊，產生高頻加速度分量，將會對結果產生影響。因此實測的臺面振動加速度將經過濾波處理后輸出，設定加載設備的濾波限值為低通20Hz。加載成功后，取表1所列相應加載等級的臺面振動加速度的參考值I，用于最終模型效率比的計算（參見第七項：評分標準）。4.5 模型失效評判準則 在進行加載時，出現下列任一情形則判定為模型失效，不能繼續加載。同時，將上一個加載級別視為該模型實際所能通過的最高加載級別，并作為模型效率比計算的依據（參見第七項：評分標準）。 (1) 第一級加載時：模型中的任一構件出現破壞；(2) 第二級加載時：模型的主要構件梁和柱中任一構件出現破壞； (3) 第三級加載時：模型整體或任一樓層發生

9、坍塌或任一柱腳脫離底板；(4) 每一級加載過程中有鐵塊脫落或水箱飛出。上述失效準則中的“構件破壞”定義為構件出現明顯開裂、斷開或者節點脫開。 五、模型材料競賽期間，承辦方為各隊提供如下材料用于模型制作。(1) 竹材：用于制作結構構件。有如下二種規格：編號竹材規格款式單張重量(g)11250×430×0.35mm本色側壓雙層復壓竹皮18621250×430×0.20mm本色側壓單層復壓竹皮108竹材力學性能參考值：彈性模量1.0×104MPa，抗拉強度60MPa。 (2) 502膠水：用于模型結構構件之間的連接固定。 (3)

10、熱熔膠：用于鐵塊，水箱與模型的固定。(4) 模型底板：底板厚度約8mm，長與寬分別為33cm和33cm。底板上除預設孔洞外，不得另行鉆孔。（5）砂紙：用于打磨竹材的邊角。 以下制作工具參賽選手自備：美工刀、鋼尺、銼刀、改錐等。六、模型現場安裝、加載及測試步驟6.1模型稱重模型凈重MM(不含底板和螺栓)的測量將采取如下方式： 在各隊上交作品時發放底板，并進行底板稱重，記為MM； 各隊制作完模型，將模型在底板上固定好并重新提交模型（注意，此時并不安裝鐵塊和水箱），對模型進行總質量稱重，記為MT； 模型凈重MM (不含底板和螺栓)按下式計算：MM = MT - MB。以上質量計量單位均為g。6.2賽

11、前準備(1)模型稱重：將制作好的模型（不含底板、鐵塊和水箱）稱重（精度0.1g），將模型安裝在底板上。(2)進行高度測量，測出每一層所放置鐵塊的最底面至模型底板的垂直高度hi；測出模型實際總高度H；以上高度計量單位均為cm。(3)得到加載指令后，將鐵塊固定在模型上，核查每層鐵塊的數目及覆蓋面積是否與所提交方案吻合，計算每層承受的附加鐵塊質量Wi；統計水箱中的注水質量(WW)；(4)根據式(1)計算模型等效負載重量We： （） (5)迅速將模型及底板安裝在振動臺上，緊固螺栓，固定水箱，準備進行加載。賽場內安裝時間不得超過10分鐘。(6)以上過程由各隊自行完成，賽會人員負責監督、標定測量儀器和記錄

12、。如在此過程中出現模型損壞，則視為喪失比賽資格。 6.3加載及測試步驟參賽隊依次上場進行三級加載，每級加載完成后依據4.4的失效評判準則評價模型是否失效。七、評分標準7.1總分構成結構評分按總分100分計算，其中包括：(1)設計圖及計算書15% （共15分）(2)結構選型與制作質量 15% （共15分） (3)加載表現評分70% （共70分） 7.2評分細則A. 設計圖及計算書(1) 設計圖表達的清晰性、規范性 (共10分) (2) 計算內容的完整性與正確性 (共5分)注：設計圖包含：結構選型及說明、節點構造、模型加工圖（含材料表）、鐵塊分布詳圖、水箱注水重量。 計算書包含：結構選型、結構建模及主要計算參數、受荷分析等。B. 結構選型與制作質量 (1) 結構合理性與創新性 (共8分)(2) 模型制作美觀性 (共7分)C. 加載表現評分本次比賽各組模型在加載環節的表現將根據其效率比Ei的計算結果進行評分。效率比Ei的計算如式(2)所示： (2)其中各項指標的意義與計算如下：We為所有各層鐵塊的總重量(Wi)和水箱注水重量(WW)，并考慮高度的加權系數后計算得到的等效負載重量，如式(1)所示；MM為模型(不含底板和螺栓)質量。參賽模型質量應控制在300g以內，每超過控制質量1%，將在該隊所得總分基礎上再扣除3%，扣完為至。I為該級加