大学生结构设计竞赛中吊脚楼模型优化方案

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1、大学生结构设计竞赛中吊脚楼模型优化方案【摘要】以第六届全国大学生结构设计竞赛为背景，分析了西南交通大学峨眉校区代表队吊脚楼模型发生倒塌的原因，提出了一种优化方案，并分析了可行性，最后通过建立有限元模型，得到了方案更优越的结论。【关键词】吊脚楼；结构设计竞赛；柱脚受力1背景第六届全国大学生结构设计竞赛已经在重庆大学成功举办，本次竞赛基于重庆位于三峡库区地貌和我国传统山地民居中的典型旧式民居吊脚楼建筑为例，模拟泥石流、山体滑坡等地质灾害撞击四层的吊脚楼为竞赛主题，要求设计者设计出能抵抗三级铁球撞击的吊脚楼模型，详

2、见《第六届全国大学生结构设计竞赛赛题》。分析了西南交通大学峨眉校区代表队吊脚楼模型为四层框架结构，如图1所示，比赛时，在第三级泥石流荷载作用下模型发生了整体倒塌。通过分析倒塌模型和加载视频，找到了倒塌原因：一方面，结构在短柱柱脚处产生了很大拉力，虽然增大了短柱柱脚与底板连接面积和埋入深度，但是，由于柱脚有连接区域和最大埋深的限制，所以当柱脚受到很大拉力时发生了冲切破坏；另一方面，由于底板采用的是松木实木指接板，当柱脚处反力很大时，出现了底板破坏的情况。由于上述原因，模型在受到铁球撞击后，在短柱柱脚处产生很大拉

3、力，使一侧柱脚发生剪切破坏并整体拔离，同时另一侧柱脚处鹿板撕裂，最终模型整体倒塌。2优化方案在对倒塌模型进行分析的发现，长柱柱脚、斜撑与底板连接处都没有出现破坏，赛场上其他模型也极少是因为长柱柱脚出现问题而破坏的，所以认为，减小模型短柱柱脚处受到的拉力是解决问题的关键，于是提出了把吊脚层斜撑作用位置移到长柱柱脚处的优化方案。3可行性分析结构经过优化后，与原模型相比，吊脚层在受力上发生了变化，一是斜撑长度变长，增加了斜撑失稳的可能性，二是长柱柱脚处受到的压力和推力变大，增加了长柱柱脚破坏的可能性。对于一，可以通

4、过加肋或增大截面等方式控制长细比，避免失稳；对于二，可以视情况考虑采用热熔胶和502胶水配合处理柱脚的方法，避免长柱柱脚发生破坏，再加上柱脚本身就不容易因压力和推力而破坏，所以方案可行。4有限元建模4.1模型简化现在我们仅仅关心吊脚层短柱柱脚处的受力情况，所以在建模时进行了最大程度的简化。首先，考虑到模型和作用力对称，把模型简化为平面有限元模型；而对于铁球撞击力，虽然是一个与时间相关的函数，但是考虑到每一个时间点的力却是固定的，所以可以简化为静力荷载；其次，虽然各个楼层都有荷载作用，但只要竖向荷载总和不变，那

5、么对柱脚处的受力就没有多大的影响，所以楼层荷载筒化为只添在顶层的节点荷载。4.2模型数据采用MIDAS/civil建模，弹性模量取1.0X104，柱为箱型截面，第二层梁为箱型截面，第三、四层和顶层梁为箱型截吊脚层斜撑为箱型截面，吊脚层拉条为矩形截面，第三、四层拉条为矩形截面。顶层节点荷载150N，铁球作用力取1500N。4.3结果有限元分析结果表明，优化后的方案在短柱柱脚处反力为2042.3N、549.1N，图3(1)，与原模型2633.0N、574.9N，3(2)比较，分别减小了22.4%、4.5%。吊脚层

6、各构件受到的轴力都减小，见图4，短柱轴力由1707.8N减小到1471.2N，拉条轴力由1167.7N减小到776.9N，分别减小了13.8%、33.4%。5结论优化后的结构，吊脚层短柱柱脚处的受力明显减小，而且短柱柱脚处各方向受力与长柱相比，其绝对差值也明显减小，因此，柱脚处受力更加均匀。所以方案较原方案优越。参考文献：[1]王昌兴.MIDAS/Gen应用实例教程及疑难解答.[M].北京：中国建筑工业出版社，2009[2]邱顺冬.桥梁工程软件midascivil常见问题解答.[M].北京：人民交通出版社，2

7、009.[3]将玉川，傅昶彬，阎慧群.MIDAS在结构计算中的运用.[M].北京：化学工业出版社，2011.作者简介：刘中军，男，在校本科生，第六届全国大学生结构设计竞赛西南交通大学峨眉校区代表队队员。注：西南交通大学峨眉校区代表队获得第六届全国大学生结构设计大赛竞赛一等奖。