大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中吊腳樓模型優(yōu)化方案

【摘 要】以第六屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，分析了西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)代表隊(duì)吊腳樓模型發(fā)生倒塌的原因，提出了一種優(yōu)化方案，并分析了可行性，最后通過(guò)建立有限元模型，得到了方案更優(yōu)越的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】吊腳樓；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；柱腳受力

1背景

第六屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽已經(jīng)在重慶大學(xué)成功舉辦，本次競(jìng)賽基于重慶位于三峽庫(kù)區(qū)地貌和我國(guó)傳統(tǒng)山地民居中的典型舊式民居吊腳樓建筑為例，模擬泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害撞擊四層的吊腳樓為競(jìng)賽主題，要求設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出能抵抗三級(jí)鐵球撞擊的吊腳樓模型，詳見《第六屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題》。

圖1

分析了西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)代表隊(duì)吊腳樓模型為四層框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示，比賽時(shí)，在第三級(jí)泥石流荷載作用下模型發(fā)生了整體倒塌。通過(guò)分析倒塌模型和加載視頻，找到了倒塌原因：一方面，結(jié)構(gòu)在短柱柱腳處產(chǎn)生了很大拉力，雖然增大了短柱柱腳與底板連接面積和埋入深度，但是，由于柱腳有連接區(qū)域和最大埋深的限制，所以當(dāng)柱腳受到很大拉力時(shí)發(fā)生了沖切破壞；另一方面，由于底板采用的是松木實(shí)木指接板，當(dāng)柱腳處反力很大時(shí)，出現(xiàn)了底板破壞的情況。由于上述原因，模型在受到鐵球撞擊后，在短柱柱腳處產(chǎn)生很大拉力，使一側(cè)柱腳發(fā)生剪切破壞并整體拔離，同時(shí)另一側(cè)柱腳處底板撕裂，最終模型整體倒塌。

2優(yōu)化方案

在對(duì)倒塌模型進(jìn)行分析的發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)柱柱腳、斜撐與底板連接處都沒有出現(xiàn)破壞，賽場(chǎng)上其他模型也極少是因?yàn)殚L(zhǎng)柱柱腳出現(xiàn)問題而破壞的，所以認(rèn)為，減小模型短柱柱腳處受到的拉力是解決問題的關(guān)鍵，于是提出了把吊腳層斜撐作用位置移到長(zhǎng)柱柱腳處的優(yōu)化方案。

3可行性分析

結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，與原模型相比，吊腳層在受力上發(fā)生了變化，一是斜撐長(zhǎng)度變長(zhǎng)，增加了斜撐失穩(wěn)的可能性，二是長(zhǎng)柱柱腳處受到的壓力和推力變大，增加了長(zhǎng)柱柱腳破壞的可能性。對(duì)于一，可以通過(guò)加肋或增大截面等方式控制長(zhǎng)細(xì)比，避免失穩(wěn)；對(duì)于二，可以視情況考慮采用熱熔膠和502膠水配合處理柱腳的方法，避免長(zhǎng)柱柱腳發(fā)生破壞，再加上柱腳本身就不容易因壓力和推力而破壞，所以方案可行。

4有限元建模

4.1模型簡(jiǎn)化

現(xiàn)在我們僅僅關(guān)心吊腳層短柱柱腳處的受力情況，所以在建模時(shí)進(jìn)行了最大程度的簡(jiǎn)化。首先，考慮到模型和作用力對(duì)稱，把模型簡(jiǎn)化為平面有限元模型；而對(duì)于鐵球撞擊力，雖然是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，但是考慮到每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的力卻是固定的，所以可以簡(jiǎn)化為靜力荷載；其次，雖然各個(gè)樓層都有荷載作用，但只要豎向荷載總和不變，那么對(duì)柱腳處的受力就沒有多大的影響，所以樓層荷載簡(jiǎn)化為只添在頂層的節(jié)點(diǎn)荷載。

4.2模型數(shù)據(jù)

采用MIDAS/civil建模，彈性模量取1.0×104 ，柱為 箱型截面，第二層梁為 箱型截面，第三、四層和頂層梁為 箱型截面，吊腳層斜撐為 箱型截面，吊腳層拉條為 矩形截面，第三、四層拉條為 矩形截面。頂層節(jié)點(diǎn)荷載150N，鐵球作用力取1500N。

4.3結(jié)果

有限元分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案在短柱柱腳處反力為2042.3N、549.1 N，圖3（1），與原模型2633.0N、574.9N，圖3（2）比較，分別減小了22.4%、4.5%。吊腳層各構(gòu)件受到的軸力都減小，見圖4，短柱軸力由1707.8N減小到1471.2N，拉條軸力由1167.7N減小到776.9N，分別減小了13.8%、33.4%。

5 結(jié)論

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，吊腳層短柱柱腳處的受力明顯減小，而且短柱柱腳處各方向受力與長(zhǎng)柱相比，其絕對(duì)差值也明顯減小，因此，柱腳處受力更加均勻。所以方案較原方案優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)：

[1]王昌興. MIDAS/Gen應(yīng)用實(shí)例教程及疑難解答. [M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

[2]邱順冬. 橋梁工程軟件midas civil常見問題解答. [M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3]將玉川，傅昶彬，閻慧群. MIDAS在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的運(yùn)用. [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：

劉中軍，男，在校本科生，第六屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)代表隊(duì)隊(duì)員。

注：西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)代表隊(duì)獲得第六屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。