第六届结构创新设计大赛
实验报告书
学 院：土木工程学院
专业班级：工程力学09-01班
组 别：第3组
组 长：徐 宁
成 员：张小乐 钱亚运 吕玉玲
季 刚 王巍桦 余俊师
目录
一、 实验目的及要求
二、 实验设备
三、 实验模型概述
四、 竞赛规则
五、 实验步骤
六、 实验结果与分析
七、 小组成员分工
八、 参考资料
一、 实验目的及要求
(一)结构模型设计要求：
设计制作一个建筑结构模型并进行振动试验。在满足下列要求的前提下，可以自由设计模型的形状及构造：
1. 模型必须至少有4个平面楼层，楼层是以纸张制作，支撑的方式可以自由设计。一个平顶可视为是一个楼层。木板底座可以当作是模型的基础。
2. 模型总楼板面积必须在1000至1800平方厘米的范围之内(不含底板面积)。模型总楼板面积包含内、外柱的截面积。每层楼板面积不得小于200平方厘米，楼层面积小于200平方厘米的不计入面积。为节省裁判量测计算楼层面积的时间，每一个组应完成一张草图，让裁判事先了解该楼层面积的计算方式。 模型楼板的中间不能有妨碍放置荷重块的柱子等结构。
3. 每一楼层净高(即该楼层顶部与其上楼层底部之间的距离)不得小于10厘米，第1层净高不少于15厘米，模型总高不超过80厘米。
4. 在真正的建筑物中，每一层楼都会有窗户。在模型每一楼层的外围，每一侧必须留有开口，开口面积不小于外表面积的一半，在开口范围内不能安置任何材料，并且便于荷重块的放置与取出。
5. 模型中的每一楼层的每平方厘米必须能够承受 10 克的重量，模型必须能够同时承受每一层楼所应承受的总重量。
6. 模型的每一个楼层必须有放置荷重铁块的固定架，用于模拟载重的铁块必须固定在每一层楼层位置。模型在进行人造地震实验之前，必须先将铁块安置在固定架上。如果铁块从模型中脱落，该模型即丧失比赛资格。铁块与固定架之间必须留有一点空隙，以方便铁块的取出与安放。每一个铁块的尺寸大小会稍有不同。1个荷载铁块的尺寸约为100×150×10毫米。
（二） 材料
1. 10根2米长的木条，其断面约为6×15毫米。
2. 乳胶1瓶。
3. 木质模型底板。木板厚度约0.6厘米，长与宽分别为25厘米乘25厘米。除了必要的钻孔之外，木板必须保持完整。底板的中心有一个直径为16毫米的孔，用于实验时与振动台连接。
4. 适量的废旧纸张（只能用于楼面），为了环保必须使用旧纸张。
二、 实验设备
（1）河北工程大学振动台
河北工程大学振动台设备采用从英国SERVOTEST公司引进的伺服液压式振动台。该振动台主要参数见下列所示。
（2）河北工程大学振动台主要参数：
1.台面尺寸：3m×3m
2.最大载重量：10t
3.工作频率：0.2～50Hz
4.震动方向：水平方向单自由度振动
5.振动波形：各种地震波、随机、周期波
6.最大加速度：满载时最大加速度为1.2g
7.最大速度：1.0m/s（地震波速度指标1.0m/s持时20秒；连续速度指标0.5-0.6m/s。）
8.最大位移：±100mm
9.最大倾覆力拒：30tm
10.最大偏心力矩：100 kN·m 左右
三、 实验模型概述
（1）模型简述
1.模型采用八边形平面结构，共有五个承重层。总高度72cm，单层面积245.6cm2,自重1.47kg。平面布置力求对称，竖向布置力求均匀。
2.采用八边形的对称结构，柱的单向惯性矩较大，与另一方向形成互补，使模型在各个方向均有较大的抗弯刚度。
3.梁柱连接点采用销钉连接，在保证强度和稳定性的同时，节省了材料。
4.由于八个柱的平面布置较为理想，在加上垫块之后，可直接固定荷载铁块，从而免去了其余大量的固定物。
（2）预计可能的破坏顺序：
1．销钉连接处胶水先失效；
2．板与柱连接失效;
3．销钉断裂；
4．柱脚或底板开裂；
5．结构散开垮塌，模型最终破坏。
另外，模型也可能由于共振和严重的扭转变形而破坏。
第六届结构设计大赛模型参数表
四、 实验及竞赛规则
（一）竞赛规则
1、每个小组应交设计计算书一份。
2、每个小组应按时间要求进行模型展示和实验。
3、模型实验前进行模型称重，并进行记录。
4、由组委会确定模型振动的方向。按振动方向将模型安装在振动台上。
5、按模型各层面积加载附加质量 ，数量为10g/cm2。
6、振动台施加人工地震，共7次，加速度最大峰值分别为0.2g,0.3g,0.4g, 0.5g,0.6g,0.7g,0.8g。
（二）实验成绩评价
1．在振动台实验中，模型发生以下现象，即判定模型破坏，激振强度按上一级加速度值计算。
（1）模型中的任何一个楼层发生坍塌现象。
（2）荷载块飞出模型。
（3）模型的结构与底板已分离且发生脱离底板的晃动。
（4）半数或半数以上的柱子已脱离底板。
（5）其它裁判认为结构已破坏的状况。
2．模型效率评定
模型效率系数
a-模型实验的加速度峰值，如模型在0.6g时破坏，则a=0.5g。
W-模型等效附加荷载值，W=(W1 + W2)×1+ (W3 + W4)×1.5+W5×2+…
W1、W2…分别为第1、2层等的荷载值。
系数1、1.5、2等为加权值，第1、2层的加权值为1，第3、4层的为1.5，5层以上的为2。
M-为模型的总质量，包括模型的自重M1和因违反规定加罚的质量M2，加罚的质量由裁判决定。
（三）设计计算评价
各组提交的文件：
1 设计计算书；
2 展示用创意说明宣传单；
3 模型参数表；
4 用于说明个人工作的相关材料（笔记，图纸，照片等）。
五、 实验步骤
1、4月17日（第9周周2）下午在校园内展示所有模型作品
2、4月24日（第10周周2）决赛
上午8:00：提前将模型固定到振动台上；
下午2:30：正式比赛。
3、加载过程（主要）及模型响应：
第一次加载：
最大峰值加速度0.2g，工作频率0.2~10Hz；
模型顶部晃动，状态稳定。
第二次加载：
最大峰值加速度0.4g，工作频率0.2~10Hz；
模型顶部晃动，状态稳定；有其他模型出现开裂迹象。
第三次加载：
最大峰值加速度0.6g，工作频率0.2~10Hz；
模型顶部晃动，状态稳定；第13组模型破坏。
第四次加载：
最大峰值加速度0.8g，工作频率0.2~10Hz；
模型顶部晃动加大，状态稳定，未出现损坏迹象。
第五次加载：
最大峰值加速度1.1g，工作频率0.2~10Hz(有所增大)；
模型顶部在加载中间阶段晃动剧烈，但未出现损坏迹象；有模型破坏。
第六次加载：
最大峰值加速度2.1g，工作频率0.2~10Hz；
模型初始阶段晃动幅度较大，状态稳定；没有模型破坏。
第七次加载：
最大峰值加速度2.4g，工作频率0.2~10Hz；
模型初始晃动剧烈，随后状态保持稳定；第4组（六层）模型柱脚与底板脱离，模型失效。
第八次加载：
最大峰值加速度估计为2.8g(未说明)，工作频率0.2~10Hz(很高)；
模型整体晃动幅度不大，开始出现二阶主阵型，状态稳定；有两个模型破坏。
第九次加载：
最大峰值加速度大于等于3.0g，工作频率0.2~10Hz(较高)；
模型整体晃动幅度较小，状态稳定。
最后一次加载：
最大峰值加速度4.2g，工作频率0.2~10 Hz(较高)；
模型整体晃动幅度不大，表现为二阶主阵型，状态稳定；其余两组状态稳定。
3、比赛过程图片
模型固定
低频率时振幅较大
六、 实验结果与分析
（1）实验中最大峰值加速度达到4.2g，模型未出现明显破坏，状态较为稳定，取得了良好效果；
（2）最后计算得模型效率系数为67.2，在同组模型中为第一；
（3）最后拆下模型时，可以发现：
1．四层销钉连接处胶水已开，成为铰结，这与预期符合的较好；
2. 所有销钉均未出现断裂现象，说明其强度完全满足要求，这与计算结果一致；
3．底板及柱脚未损坏，好于预期效果，可能是由于上部结构位移较大，耗能较多。
4. 底板固定未出现松动；
5．模型在整个振动过程中未出现较明显的扭转变形。
（4）模型在加载过程中表现出优异的抗震性能，完全体现出了最初的设计思路，最大的优点在于：
1．八边形平面结构，整体稳定；且由于模型对称性较高，在两个方向刚度几乎相同，没有弱向；
2．销钉连接，强度可靠，同时使模型节点在振动过程中由刚结变为铰结，改善受力性能；
3．柱的布置合理，铁块的固定完全不需要胶带绑扎（第五层的垫块在实验前已经去掉）；
4．结构整体性好，错层布置不会散架。
七、小组成员分工
（1）模型设计：徐宁、张小乐；
（2）模型各构件制作：
徐宁、张小乐、钱亚运、王巍桦、季刚、余俊师；
（3）模型组装、粘结：张小乐、徐宁、钱亚运；
（4）大赛宣传海报、PPT制作：吕玉玲、徐宁；
（5）设计计算书、实验报告书写作：徐宁。
八、参考资料
材料力学（第二版），单辉祖，高等教育出版社；
结构力学（第二版），龙驭球等，高等教育出版社；
抗震结构设计（第3版），王社良，武汉理工大学出版社；
混凝土结构（中册，第三版），东南大学等，中国建筑工业出版社；
钢结构——原理与设计，夏志斌、姚谏，中国建筑工业出版社;
土木工程荷载与设计方法，张学文，罗旗帜，华南理工大学出版;
建筑结构设计原理,李章政，熊峰，化学工业出版社；
高层建筑结构的设计与计算,裴星洙，张立，中国水利水电出版社;
木结构设计规范 GB50005-20037.
第二篇：第六届桥梁结构设计大赛
