1 / 15

第五届全国大学生结构设计竞赛

计 算 书

参赛学校：内蒙古科技大学

作品名称：放飞梦想

参赛队伍：启航

参赛选手：张贺 张凯 周晓峰

指导教师：刘香，曹芙波

2 / 15

目 录

1 概述.................................. 1

2 结构选型.............................. 2

3 截面形式及细部尺寸.................... 4

4 模型的设计及制作...................... 4

5 结构计算.............................. 5

6 铁块配重 ............................ 10

7 水箱装水高度......................... 10

8 结束语 .............................. 11

3 / 15

1.概述

本次竞赛以“带屋顶水箱的竹质多层房屋结构”为题。

参赛作品的基本要求：

（1）作品主要制作材料有竹皮、502 胶水。

（2）底板为 33cm×33cm×8mm 的竹板。

（3）模型总高度应为 100cm，允许误差为±5mm。

（4）模型必须至少具有 4 个楼层。

（5）每个楼层净高应不小于 22cm。

（6）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。

（7）楼层有效承载面积，模型的总有效承载面积应在 600cm2 至 720cm2 的

范围之内，且每个楼层的有效承载面积不得小于 25 cm2。

模型及附加铁块安装要求 ：

（1）辅助装置和铁块不能超出楼层范围且不能直接跟柱接触。

（2）铁块规格为大小两种，大铁重量为 1800g。小铁块重量为 675g。由于

加载设备限制，模型中附加铁块总重量不得超过 30kg。

（3）模型顶面上应放置水箱，且水箱内应至少注入 10cm 高的水。

（4）模型试验仅在单一水平向施加地震作用，模型的抗侧体系应在计算书中

阐述清楚。

竞赛内容主要包括：

（1）方案设计与理论分析

4 / 15

（2）结构模型制作

（3）作品介绍与答辩

（4）模型加载实验。

模型的制作、现场安装以及加载等，虽然没有现实工程那样复杂，但是

很大程度上也反映了实际多层房屋设计与施工的过程。通过本次竞赛方案设

计考察了我们的结构选型构思能力，同时也考察了我们运用所学理论知识分

析解决实际问题的能力；也很大程度上考察了我们的结构模型制作动手能力；

在作品介绍与答辩过程中也表现了我们丰富的语言表达能力和灵活运用所学

理论知识的能力；此外，在加载重量选择方面很大程度上也考验了我们对所

做模型在自身承载力以及承受动荷载方面的感性、理性以及思维能力的认识。

整个竞赛过程与实际工程中的设计、施工、以及验收到投入运营等流程十分

相似，通过本次竞赛可以考察和检验我们在理论知识方面的能力、运用理论

的能力以及理论与实际相结合的综合能力。

结构设计竞赛规定了参赛作品的种种要求以及打分制度，其目主要是为

了让我们运用空间结构的构造方法，并结合结构力学、材料力学等相关的力

学知识，设计出模型自重小、承载力大以及在动荷载作用下结构具有较好的

耗能性能。

我们应根据本次竞赛规定，并结合多层房屋结构所具有的安全性、可靠

性、技术先进性、经济合理性、以及施工方便、外形美观、利于环保等要求

综合考虑，设计出自己的结构模型。

5 / 15

2.结构选型

多层房屋结构的常见类型有框架结构、框剪结构和筒体结构。根据竞赛

要求的制作材料，制作规范，我们初步拟定框架结构、框剪结构和筒体结构

的方案，进行了理论分析、模型制作和加载试验，由于竹皮材料的特性以及

本次竞赛的评分标准，故未考虑框剪结构和筒体结构方案的刚性抗震方案。

而是选用柔性抗震方案，充分利用竹皮材料具有良好的变形性能的特性，制

作出有良好变形性能的柔性耗能体系，在加载过程中能耗散振动台传给结构

的荷载，同时又能最低程度的阻碍振动台的运动，从而得到较高的台面加速

度；而且柔性结构梁柱截面尺寸较小，从而降低结构的自重。所以本次竞赛

采用柔性耗能结构较为合理。

2.1 框架结构

框架结构的主要特点是平面布置较灵活能够最大程度上使用空间，而且

刚度分布均匀，侧向刚度小延性大、自振周期长，对地震作用不敏感，在具

体操作过程中易于控制，故最终选择了框架结构。

2.2 框剪结构

框剪结构具有抗侧刚度及承载力大、整体性好、水平侧移小、抗震性能好

的优点，但是对基础处理要求高以及不能充分利用空间等缺点，并且本次竞

赛要求所有方向的外立面底部正中需要各设置一个 12cm×12cm（高×宽）的

门洞，剪力墙洞口设置对剪力墙受力性能影响很大，故本方案被淘汰。

2.3 筒体结构

6 / 15

筒体结构主要是由一个或多个空间受力的筒体形成承受竖向荷载，抵抗水

平作用的空间结构体系。内筒及其竖向构件主要承受竖向荷载，外层框架主

要承受侧向荷载，刚性楼面结构作为框筒的横隔。再加上由于剪力滞后会造

成角柱轴力过大，并且由于本次竞赛要求在每层楼面都进行加载，故此方案

被淘汰。

我们设计的模型实物图如图 1 ：

图 1 模型照片

3.截面形式及细部尺寸

多层房屋模型的柱子为变截面箱型空心柱，长度为 1000mm，一层和二

层为 9mm×9mm 的正方形柱子，三层为 7.5mm×7.5mm 正方形柱子，顶层

7 / 15

柱子为 6mm×6mm 的正方形，壁厚均为 0.5mm。主梁的截面形式为工字梁，

腹板高为 10mm，腹板厚为 0.5mm；上翼缘和下翼缘宽为 6mm，厚度为

0.5mm；次梁为十字交叉工字梁，截面形式同主梁。

4. 模型的设计及制作

合理的结构设计方案到实现的应用，需要有良好的施工技术，既要满足

一定的构造要求，还要保证施工质量。这些环节都考验了我们当代大学生的

创新性思维以及动手能力，同时在模型制作过程中也体现了团队合作精神，

完美的作品正是团队合作的结晶。

4.1 准备阶段

由于竹质材料存在顺纹、横纹。

在考虑了顺纹和横纹的差别，其主要基于两点：

第一是施工上的因素，在进行二次加工打磨时沿竹质材料的顺纹切割要

方便和顺手得多。

第二是强度上的因素，竹质材料顺纹的抗拉强度远大于横纹。因此，在

制作构件过程中应沿顺纹切割。

4.2 粘接阶段

粘结是否结实，主要在于粘结技巧，对竹皮进行切割后需要用砂纸对其

进行进一步打磨，但要注意打磨的程度不能影响到竹质材料的强度，要保证

粘结后强度不低于竹皮本身的强度。胶水使用要注意，涂抹要适度，太多会

降低粘接强度并增加结构的重量，太少则粘结强度得不到保证。

8 / 15

竹皮需在粘结前做出所需的尺寸，切割并打磨，如在粘接后进行打磨不

仅不易于操作，而且极易破坏杆件及已经粘结好的节点。此外，还应注意不

让杂物粘到竹皮上，以免影响到模型的美观以及增加不必要的自重。

4.2.1 柱子的粘接

箱形柱的粘接是比较麻烦的，为了粘结出较直柱子，内部需增加双层横

向隔片,双层横向隔片同时增加了柱子的稳定性。为了保证箱形柱的粘结效

果，就必须使其两边处于直角，再用胶水分点粘结，固定薄片位置，然后将

各个点之间的空隙处粘以胶水，在粘胶的同时一定要用手压住竖向的杆片，

以免出现空隙影响整体杆件的强度。

4.2.2 梁、柱节点的粘接

梁与柱子的连接是通过节点实现的，节点位于柱子的内部，通过多层竹

皮叠加粘接在一起的箱形实体，然后用锯条和刻刀做出节点，此节点具有稳

定性强的特点,通过试验论证，此节点性能要比外部节点好，并且质量轻。梁

经过裁剪插入节点，然后进行粘结，缝隙用锯末填充，这样可以增强柱子与

梁的粘结强度。

4.2.3 柱和底板的粘接

柱子与底板的粘结，用三角板保证及检查柱子与底板的垂直，待检查完

毕，用胶水把柱子粘结在底板上，然后在柱脚外侧进行节点处理，此节点为

直角梯形，外侧直接粘结，内侧的两个直角梯形进行十字交叉处理后再粘结

9 / 15

在柱脚上，此节点可以保证柱子稳稳的竖立在底板上。

4.3 设计模型的施工图

见附图。

5.结构计算

用结构分析软件 SAP2000 对模型做了静载及震动荷载下的力学分析，

保证截面适当的安全储备，并尽量降低结构的自重，使结构的自振周期避开

本次竞赛的震动周期。

5.1 一阶振型及弯矩图

10 / 15

图 2 一阶振型 图 3 一阶振型弯矩图

5.2 二阶振型及弯矩图

图 4 二阶振型 图 5 二阶振型弯矩图

5.3 三阶振型及弯矩图

11 / 15

图 6 三阶振型 图 7 三阶振型弯矩图

5.4 扭转振型

由于竹皮材性的不均衡及手工制作的误差，四根柱子的刚度会略有差异，

导致在加载过程中会产生扭转变形，如图 8 所示。

图 8 扭转振型

12 / 15

5.5 虚功图

图 9虚功图

从虚功图可以看出材料的利用率已经接近极限，可以获得更大的效能比。

5.6 静载弯矩图

13 / 15

图 10 静载弯矩数值 图 11 静载弯矩图

5.7 静载轴力图

图 12 静载轴力数值 图 13 静载轴力图

5.8 结构自振周期计算

将本结构简化为多质点弹性体系，利用能量法近似求解该多质点弹性体

系的基本频率。模型简化如下图

图 13 静载轴力图

使用能量法计算可得结构基本周期为

n

i

ii

n

qi

ii

n

i

ii

n

i

ii

m

m

mg

m

T

1

2

1

1

2

1

1 222

14 / 15

其中 i 为质点 i 处的位移（ i 为把重力荷载代表值当成水平荷载，在其作用

下质点 i 处的位移）

故结构基本周期

s

m

m

mg

m

Tn

i

ii

n

qi

ii

n

i

ii

n

i

ii

684.022

1

2

1

1

2

1

5.11 质量阻尼器（水箱）

调液质量阻尼器（Tuned Liquid Damper）是一种结构被动控制装置，它

是装有液体并且固定在结构上的刚性容器，即本结构模型中的水箱。利用 TLD

减振，需将 TLD 中的液体振荡周期 Tw 调谐到结构的自振周期附近，从而得

到最大的动水压力。此时 TLD 对结构的控制力最大。

矩形 TLD 中水的振荡频率由下式给出：

A

hnn

A

gf

n 2

)12(tanh)12(

22

1

式中，h 为液体深度；A 为 TLD 沿外荷载输入方向的边长；g 为重力加速度；

n 为液体自振频率的阶数。

6.铁块配重

表 1 楼层荷载分配表

层数 铁块质量（kg） 铁块个数

二层 0.675 1 小

三层 6.75 3 大 2 小

15 / 15

四层 22.5 11 大 4 小

总质量：29.925kg

7.水箱装水高度：

H=25.7cm

8. 结束语

通过参加本届全国大学生结构设计竞赛，我们对所学理论知识有了更深

层次的理解，也提高了我们理论联系实际的能力。检验了我们运用所学知识

解决实际工程问题的能力，充分锻炼了我们的动手能力，更让我们认识到了

团队合作的重要性。从刚开始的无从下手，到最后的灵活自如，可以说收获

颇丰。在这里感谢中国土木工程协会及东南大学等单位为我们提供了这个锻

炼和相互交流的平台，也希望今后有更多这样的活动，给大学生提供更多的

锻炼和相互学习的机会，同时，我们也感谢学校的培育和老师的指导。

随着现代科学技术的飞速发展，我们寻找新材料的同时，更应注意新结

构形式的探索，从而实现经济、实用和安全的完美结合，因此，结构创新是

我们共同的任务和责任。

在今后的学习和工作中，我们要更加努力，取得更好的成绩来回报父母

和老师、回报社会，为社会主义现代化建设贡献一份力量。