關(guān)于樓房的結(jié)構(gòu)和材料與其抗震能力的關(guān)系研究報(bào)告

劉潤(rùn)杰

摘 要：我們根據(jù)現(xiàn)代樓房的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種等腰梯形的房屋結(jié)構(gòu)，之后我們通過網(wǎng)絡(luò)和一些書籍中尋找到了樓房中的常見力矩，在學(xué)校工程師鄧放明老師的指點(diǎn)下，做出了十分結(jié)實(shí)的模型，通過測(cè)量與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，最后經(jīng)過組內(nèi)的討論交流，發(fā)現(xiàn)了許多問題，在后面的正文部分會(huì)具體提到。對(duì)于樓房的結(jié)構(gòu)和材料與其抗震能力的關(guān)系，我們小組成員都有了進(jìn)一步的了解，也激發(fā)了我們對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，土木工程這一方面的興趣。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代樓房基本結(jié)構(gòu)；常見力矩；土木工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、課題研究步驟及內(nèi)容

第一步：設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)

具體活動(dòng)：小組成員根據(jù)自己的想法每人設(shè)計(jì)一種模型的圖紙，然后討論，詢問指導(dǎo)老師得出最佳方案。

第二步：模型制作

具體活動(dòng)：通過所學(xué)物理知識(shí)，在校園工程師鄧放明老師的指導(dǎo)下，我們完成了多個(gè)模型。[具體結(jié)構(gòu)見（四）模型制作中的具體問題]

第三步：加載實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

具體活動(dòng)：對(duì)我們制作出來的模型進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出γ值。

第四步：得出結(jié)論

具體活動(dòng)：根據(jù)第三步中求出的γ值，對(duì)各個(gè)模型的抗震性能進(jìn)行對(duì)比，并選出最好的模型，分析其結(jié)構(gòu)。

二、現(xiàn)代樓房的基本防震措施

工程結(jié)構(gòu)的抗振動(dòng)是在干涉作用下減少工程結(jié)構(gòu)或部件振動(dòng)的措施。工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可分為對(duì)應(yīng)于擾動(dòng)力的四種類型：周期振動(dòng)，非周期振動(dòng)，沖擊振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。在工程中遇到周期振動(dòng)中的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。

（1）主動(dòng)隔離。為了減少動(dòng)載荷設(shè)備對(duì)支撐結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)人員和設(shè)備振動(dòng)的影響，采用振動(dòng)源（動(dòng)態(tài)設(shè)備）進(jìn)行隔振措施。

（2）被動(dòng)隔振。為了減少支撐精密設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)精密設(shè)備的影響，精密設(shè)備采用隔振措施。無論是主動(dòng)隔振還是被動(dòng)隔振，該方法是在隔振設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)之間安裝減震器或阻尼材料，如鋼彈簧，橡膠制品，軟木或乳膠海綿，使頻率的比例為干擾力對(duì)隔振系統(tǒng)的固有頻率大于2，從而獲得超過66%的隔振效果。

鋼彈簧，橡膠減震器和空氣彈簧減震器通常用于減震器工程結(jié)構(gòu)的隔振。阻尼材料包括橡膠，乳膠海綿，軟木和玻璃纖維。

工程結(jié)構(gòu)抗振動(dòng)：（1）鋼彈簧。螺紋彈簧和板簧有兩種主要類型。圓柱形螺旋彈簧通常用于工程結(jié)構(gòu)中以隔離振動(dòng)。該彈簧機(jī)械性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋼彈簧阻尼小，使隔振系統(tǒng)的固有頻率低于3 Hz。適用于振動(dòng)較大的動(dòng)力設(shè)備的主動(dòng)隔振。對(duì)于精密設(shè)備的被動(dòng)隔振，需要額外的阻尼措施。

（2）橡膠減震器。由橡膠或橡膠和金屬制成。橡膠成型簡(jiǎn)單，加工方便，易于制作各種不同形狀和不同應(yīng)力狀態(tài)的幾何形狀，因此橡膠減震器種類繁多，阻尼較大（能夠達(dá)到0.1以上），應(yīng)用廣泛。特別地，基于剪切變形的減震器具有剛度小和阻尼大的特點(diǎn)。

（3）空氣彈簧減震器。這是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。雖然它的應(yīng)用并不常見，但它是一種非常有前途的振動(dòng)隔離方案。它越來越受到人們的關(guān)注，并被一些工程振動(dòng)隔離所采用。

主動(dòng)隔振技術(shù)在電力設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)已十分普遍。對(duì)于轉(zhuǎn)速大于400轉(zhuǎn)/分的動(dòng)力設(shè)備，或者產(chǎn)生沖擊和干涉力的設(shè)備，可以與減震器一起使用隔振，并且可以獲得足夠的隔振效果。通常難以隔離轉(zhuǎn)速小于400轉(zhuǎn)/分的動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)。通常，采用增加車間水平剛度或基礎(chǔ)平面尺寸的方法來減小振動(dòng)。

精密設(shè)備的被動(dòng)隔振主要是將振動(dòng)與支撐設(shè)備的結(jié)構(gòu)隔離開來，使隔振后支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)小于精密設(shè)備的允許振動(dòng)。其指數(shù)可能是位移，或速度或加速度。支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)由兩部分組成：

1）空調(diào)設(shè)備和加工等動(dòng)力設(shè)備引起的機(jī)械振動(dòng)；

2）地震波，地下水流，地磁和潮汐變化引起的地面波動(dòng)。對(duì)于一般精密設(shè)備的隔振，通常不需要考慮地面脈動(dòng)的影響，但對(duì)于某些高精度設(shè)備（如激光控制的某些儀器和設(shè)備），需要對(duì)地面脈動(dòng)的影響進(jìn)行處理，需要慎用。一些對(duì)防振有特殊要求的精密設(shè)備（如重力加速度計(jì)），采用帶油阻尼器的懸架系統(tǒng)和伺服反饋方法，是一種很有前途的防振措施。

三、模型制作中的具體問題

一號(hào)模型

模型規(guī)格：

制作時(shí)間：6個(gè)小時(shí)左右

質(zhì)量：136g（靜載，扭轉(zhuǎn)均通過）

立柱：選用的是三層白卡紙圓柱形立柱。（表面有螺紋式拉條）R=10mm

房梁：選用的是6根三棱柱白卡紙房梁和6根長(zhǎng)方體白卡紙房梁。（邊長(zhǎng)分別為16mm和18mm）

斜拉條：選用的是4mm寬的白卡紙拉條。

其他：樓面板每層采用了四條4mm寬的紙帶做成井字形。

一號(hào)模型是小組成員們自己摸索著做的，工藝不是特別細(xì)致，但是也算比較穩(wěn)健，因?yàn)椴惶煜と榘啄z的特性，所以放棄了用膠粘貼而是選擇了在立柱上開孔，直接將橫梁插入立柱中，這樣做其實(shí)是會(huì)削弱立柱的強(qiáng)度，然而我們的柱子還能夠完成加載試驗(yàn)，說明三層紙的強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限值的。

二號(hào)模型

模型規(guī)格：

制作時(shí)間：3個(gè)小時(shí)左右

質(zhì)量：105g（靜載，扭轉(zhuǎn)均通過）

立柱：選用的是兩層半白卡紙圓柱形立柱。（表面有螺紋式拉條）R=8mm

房梁：選用的是12根三棱柱白卡紙房梁。（邊長(zhǎng)為15mm）

斜拉條：選用的是4mm寬的白卡紙拉條。

其他：取消了樓面板的井字結(jié)構(gòu)，加入在兩根梁與立柱的連接處有三角形紙片固定。

二號(hào)模型是一號(hào)模型在經(jīng)過老師指點(diǎn)后做出的第二個(gè)模型立柱減少一圈紙，材料大幅度減少，質(zhì)量自然減輕了不少，熟悉了乳白膠的特性后粘貼工藝也好了許多，二號(hào)模型在加載實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，所以我們決定在立柱和房梁處做文章，減小其質(zhì)量。

三號(hào)模型

模型規(guī)格：

制作時(shí)間：3個(gè)小時(shí)左右

質(zhì)量：69g（靜載，扭轉(zhuǎn)均通過）

立柱：選用的是兩層白卡紙圓柱形立柱。R=8mm

房梁：選用的是12根圓柱白卡紙房梁。r=5mm

斜拉條：選用的是4mm寬的白卡紙拉條。

其他：立柱表面無螺紋式拉條，但在立柱中加入了圓形紙片以增加立柱強(qiáng)度。

三號(hào)模型本是一個(gè)預(yù)計(jì)的極值模型，我們將所有的立柱都減到了兩層紙，橫梁全部由三棱柱變?yōu)閱螌蛹垐A柱，質(zhì)量直接減少30g，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)卻也是輕松通過了，說明了這還不是白卡紙的極限。

四號(hào)模型

模型規(guī)格：

制作時(shí)間：3個(gè)小時(shí)左右

質(zhì)量：61g（靜載，扭轉(zhuǎn)均通過）

立柱：選用的是兩層白卡紙圓柱形立柱。R=7mm

房梁：選用的是12根圓柱白卡紙房梁。r=3mm

斜拉條：選用的是4mm寬的白卡紙拉條。

其他：將立柱中的圓形紙片換為4mm高的小圓紙餅，使其結(jié)構(gòu)為竹筒狀。（仿生結(jié)構(gòu)）

四號(hào)模型的立柱為豎直立柱，整體為長(zhǎng)方體而不是臺(tái)體，且立柱又減少了一層，立柱呈竹筒狀，其強(qiáng)度甚至比兩層紙更加堅(jiān)固。然而在后面的計(jì)算中豎直立柱的γ值比斜柱的γ值多了10倍左右，所以我們放棄了這種豎直立柱的工藝。

四、研究方法

本課題采用了文獻(xiàn)法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法等研究方法。

（一）文獻(xiàn)法

我們充分地利用了網(wǎng)絡(luò)、雜志、書刊和所學(xué)知識(shí)，以及向指導(dǎo)老師咨詢相關(guān)信息，使我們后來的研究有了目的性和科學(xué)性。

（二）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法

我們將光學(xué)傳感器的示數(shù)通過專業(yè)軟件繪制成了震動(dòng)圖像，以便于γ值的計(jì)算。

五、課題結(jié)論

（1）房梁，柱子部分只需用一層紙即可滿足載重條件。

（2）側(cè)面斜拉條必須要拉，來平衡水平方向的扭轉(zhuǎn)力的分力。

（3）立柱中間塞入小圓紙餅，將其做成竹筒狀，能在最輕的質(zhì)量下發(fā)揮材料的強(qiáng)度。（仿生結(jié)構(gòu)）

（4）橫梁的強(qiáng)度完全足夠，可以盡可能的減弱。

（5）理論上，柔性結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力優(yōu)于剛性結(jié)構(gòu)，但是從γ的計(jì)算值來看，剛性結(jié)構(gòu)的γ值遠(yuǎn)小于柔性結(jié)構(gòu)的γ值，所以說雖然柔性結(jié)構(gòu)在能量的散失能力方面優(yōu)于剛性結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際操作過程中剛性結(jié)構(gòu)的第三峰值扭轉(zhuǎn)角較小。

六、存在的問題以及有待改進(jìn)的地方

雖然我們希望我們的研究實(shí)驗(yàn)工作能十分完善，但在實(shí)現(xiàn)我們研究計(jì)劃的過程中，我們遺憾地發(fā)現(xiàn)研究工作的困難以及不規(guī)范，有很多需要改進(jìn)的地方，如：計(jì)劃不夠完善，時(shí)間安排不夠妥當(dāng)，專業(yè)知識(shí)過少等等問題，這些有待于在將來的研究中改進(jìn)。

七、結(jié)語

這次研究性學(xué)習(xí)使我們充分的了解了樓房的結(jié)構(gòu)和材料與其抗震能力的關(guān)系。在研究性學(xué)習(xí)中，我們克服了種種困難，我們認(rèn)識(shí)到了我們現(xiàn)在所學(xué)習(xí)的知識(shí)只是皮毛，想要真正的了解這個(gè)世界的規(guī)律，我們需要更加努力地學(xué)習(xí)，激發(fā)了我們對(duì)日后的學(xué)習(xí)生活的熱情，希望這樣的研究性學(xué)習(xí)在日后能夠更多更好的開展。

參考文獻(xiàn)：

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