附件1:
河南省第四届大学生结构模型设计竞赛赛题:
仿古塔楼模型制作与测试
一、选题背景
大多数的塔都是由下而上地逐渐缩小,而安阳天宁寺塔(文峰塔 ) 之独特在于其一反常规,塔身上大而下小,呈伞状,为国内外所罕见, 且塔楼底层较大层高形成底部大空间结构。在实际工程中,很多多层和 高层建筑将底层设计为停车场或商铺等大开间,这类建筑结构底层往往 变为薄弱层。历次地震表明,有底部薄弱层的建筑结构在地震中容易发 生震害,而文峰塔历经危难,千年不倒,体现了古代劳动人民伟大的智 慧和文峰塔建筑艺术的高超。
本届结构模型设计大赛以此为选题背景,希望同学们能通过结构模 型的设计、制作与模拟地震加载,了解此类结构的动力特性和震害特点, 共同探讨改进其抗震性能的方法,这对于有特殊建筑功能和美学要求的 建筑具有现实的科学价值和工程意义。
二、作品要求
2.1几何尺寸要求
(1)底板:多层结构模型用热熔胶固定于模型底板上, 底板平面尺
寸为350m心350mm底板用螺栓固定于振动装置上。
(2) 模型大小:模型总高度应为 900mm允许误差为士 3mm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,首层净高应不 小于总高度的30%若底板上设置有地梁,则第一层净高需白地梁顶部 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 外立面构件不影响计算塔楼层净高。模型底面尺寸大小控制在内接半径 130mm- 150mrffl范围内,2层楼面挑檐为内接半径
175mrffl的正多边形, 2层以上楼面挑檐的内接圆半径的逐层递增 5mm
(3) 塔楼层数:模型必须具有不少于4个塔楼层,底板视为模型第 一层塔楼
板。除第一层以外,每层塔楼面范围须通过设置于边缘的梁予 以明确定义。
(4) 使用功能要求:塔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(即不含塔楼层外立面),要求在塔中心
设置上下相通的孔洞,孔洞截面为直径不小于70mn#接圆,上下相望。 模型底层必须在一侧外立面底部正中保留一个不小于 求。
250m留80mm高
X宽)的空间以允许设置门洞。模型顶面应为平面,应满足安全放置顶 面配重的要
2.2模型及附加配重安装要求
(1)
塔楼挑
檐应为受力结构,每个屋檐下边缘的外挑端部能承受 0.25kg的集中力。利用热熔胶将附加配重固定在模型除底层以外的各 个塔楼层的塔楼面结构上,可在塔楼层上设置固定配重块辅助装置,
辅助装置和配重不能超出塔楼层范围且不能直接跟柱接触, 块不能在塔中心上下相通的孔洞范围(图 2)。
但
塔楼层配重
(2) 提供统一规格的屋顶和楼层配重块。 配重分5个质量点,二层楼 面和顶
层屋顶必须设置为质量点。 除顶层屋顶外的质量点要求:每个质 量点需安置6块尺寸为80mm< 40mr^ 20mm 的配重块,重量约为3kg。塔楼顶层配重块 的长、宽、高约分别为200mm200mr^ 20mm 重量约为6kg。
(3) 模型试验仅在单一水平向施加振动 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根据底板标识采用 抛硬币方法确定。
2.3每个参赛队只能提交一份作品 2.4完整的作品包括以下部分:
(1) 结构设计计划书,包括荷载分析、结构选型、计算简图、内力 分析、承载
能力估算等。
(2) 设计方案。结构图若干,包括主要构件、节点详图及材料表等。 (3) 结构模型(实物)。要求模型制作符合设计制作要求,并与设 计书一致。如
修改模型,要求同时修改计算书。
2.5作品由各参赛队命名
作品名必须健康向上,突出特点。作品名经组委会批准后生效。 三、制作材料
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。
(1)
构构件。竹材规格及数量见表
表1 竹材规格及数量 竹材规格 1250*430*0.50mm 1250*430*0.35mm 1250*430*0.20mm 竹材名称 本色侧压双层复压竹皮 本色侧压双层复压竹皮 本色侧压单层复压竹皮 竹材:用于制作结1。
数量 2张 2张 2张 注:竹材力学性能参考值:弹性模量 1.0 X 104MPa抗拉强度60MPa 502胶水:用于模型结构构件之间的连接,配重块之间的固 (2)
TEo
(3) (4) (5) (a)
热熔胶:用于配重块与模型的粘接及模型与底板之间的固定。 模型底板:底板厚度约16mm长与宽分别为350mnffi 350mm 底板上除预制作工具:
美工刀,每组3把;砂纸,粗、细各若干;
设孔洞外,不得另行钻孔。
(b) 聚乙烯薄膜(防止粘手用);
(c) 铅笔、100cm直尺、三角尺、圆规;
(d) 大头钉、大头针燕尾夹,每组大、小各 5个。
除上述工具外,比赛现场提供3把小型手电钻及砂轮机供参赛队需 要时使用。
参数队均不得使用未经组委会允许的其他工具。 四、加载设备说明
结构模型采用第二代改进型 WS-Z30小型精密振动台系统进行模
拟水平地震作用的加载,考察模型承载力。振动台系统的主要组成部分 及相关参数信息如下:
水平振动台:型号 WS-Z30-50 (如图3)
指标:水平台尺寸506x 380X 22mm荷载30kg,重量11.5kg,材 料铝合金
LY12。
功能:承载实验模型。
激振器:型号JZ-50 (如图4)
指标:工作频率0.5?3000Hz,最大位移士 8mm激振力500N,重 量 28kg
功能:使水平台振动。 功率放大器:型号GF-500W
指标:失真度<1%噪声< 10mV输出阻抗0.5 Q,工作频率DCA 10000H乙输出电流25A,输出电压25V,功率500VA供电电压220VAC 尺寸
44cmx48cmx18cm
重量:18g
功能:为激振器提供输出功率。 五、加载与测H 5.1输入地震波
加载台面空载实测加速度时程波形文件,由组委会后续以附件形式 提供。
5.2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。
(1) 第一、二级加载后:模型中的任一构件出现断裂或节点脱开。 (2) 第三级加载完毕时:模型整体或任一楼层发生坍塌或任一柱脚
脱离底板。
(3) 每一级加载过程中有配重脱落或飞出。
六、 模型现场安装、加载及测试步骤
6.1赛前准备
(1) 制作规定时间结束前2个小时分发底板,底板重量记为M1(精 确到0.1g)。 (2) 核查模型尺寸是否满足制作要求;在每层屋檐下边缘的外挑端 部随机抽
取4个分别悬挂0.25kg的集中力,稳定保持10秒钟后如外挑 屋檐出现结构性的破坏,结构选型与制作质量项记为零分。
(3) 提交模型前,用热熔胶将模型与底板粘接牢固: 模型底部可以
使用由主办方提供的热熔胶与底板连接,也可白行使用
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 10mm
(4) 0.1g)。
(5) (6)
提交模型时,对模型(包括底板)进行称重,记 M2 (精确到
得到入场指令后,迅速将模型(含底板)运进场内,安装在振 动装置上,紧以上过程由各队白行完成,赛会人员负责监督、标定测量仪器 和记录。如
固螺栓,固定配重块,准备进行加载。赛场内安装时间不 得超过10分钟。
在此过程中出现模型损坏,则视为丧失比赛资格。
6.2加载及测试步骤
(1) 参赛队代表进行3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5.2的失效评判准则 评价模型
是否失效。 七、 评分标准
7.1总分构成
结构评分按总分100分计算,其中包括:
(1)
(2) (3) (4) 计算书及设计图10% 结构选型与制作质量10% 现场表现5%
加载表现评分75% (共10分) (共10分) (共5分) (共75分)
7.2评分细则
A. 计算书及设计图 (1) 计算内容的完整性
( 共6分)
(2) 图文表达的清晰性、规范性 ( 共4分)
注:计算书要求包含:结构选型、结构建模及主要计算参数、受荷 分析、节点构造、模型加工图(含材料表)等。
B. 结构选型与制作质量 (1) 结构合理性与创新性 (2) 模型制作美观性
屋檐出现结构性的破坏时,该项记为零分。
( (
共6分) 共4分)
注:在屋檐下边缘的外挑端部随机抽取 4个分别悬挂0.25kg的集 中力,外挑
C. 现场表现 (1) 现场陈述 (2) 现场答辩
( (
共3分) 共2分) 得分为余下
上述三项评分方式:去掉一个最高分和一个最低分后, 评委评分的平均值(精确至小数点后两位)。
D. 加载表现评分
本次比赛各组模型在加载环节的表现将根据其效率比 进行评分。效率比E的计算如式(1)所示:
匚 _
E的计算结果
100 L M2-M1
(1)
一加载级别权重系数。通过第一级 =0.3,通过第二级 =0.7 ,通