大學生結構設計競賽中吊腳樓模型優化方案

【摘 要】以第六屆全國大學生結構設計競賽為背景，分析了西南交通大學峨眉校區代表隊吊腳樓模型發生倒塌的原因，提出了一種優化方案，并分析了可行性，最后通過建立有限元模型，得到了方案更優越的結論。

【關鍵詞】吊腳樓；結構設計競賽；柱腳受力

1背景

第六屆全國大學生結構設計競賽已經在重慶大學成功舉辦，本次競賽基于重慶位于三峽庫區地貌和我國傳統山地民居中的典型舊式民居吊腳樓建筑為例，模擬泥石流、山體滑坡等地質災害撞擊四層的吊腳樓為競賽主題，要求設計者設計出能抵抗三級鐵球撞擊的吊腳樓模型，詳見《第六屆全國大學生結構設計競賽賽題》。

圖1

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

2優化方案

在對倒塌模型進行分析的發現，長柱柱腳、斜撐與底板連接處都沒有出現破壞，賽場上其他模型也極少是因為長柱柱腳出現問題而破壞的，所以認為，減小模型短柱柱腳處受到的拉力是解決問題的關鍵，于是提出了把吊腳層斜撐作用位置移到長柱柱腳處的優化方案。

3可行性分析

結構經過優化后，與原模型相比，吊腳層在受力上發生了變化，一是斜撐長度變長，增加了斜撐失穩的可能性，二是長柱柱腳處受到的壓力和推力變大，增加了長柱柱腳破壞的可能性。對于一，可以通過加肋或增大截面等方式控制長細比，避免失穩；對于二，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，避免長柱柱腳發生破壞，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模型簡化

現在我們僅僅關心吊腳層短柱柱腳處的受力情況，所以在建模時進行了最大程度的簡化。首先，考慮到模型和作用力對稱，把模型簡化為平面有限元模型；而對于鐵球撞擊力，雖然是一個與時間相關的函數，但是考慮到每一個時間點的力卻是固定的，所以可以簡化為靜力荷載；其次，雖然各個樓層都有荷載作用，但只要豎向荷載總和不變，那么對柱腳處的受力就沒有多大的影響，所以樓層荷載簡化為只添在頂層的節點荷載。

4.2模型數據

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。頂層節點荷載150N，鐵球作用力取1500N。

4.3結果

有限元分析結果表明，優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 結論

優化后的結構，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柱相比，其絕對差值也明顯減小，因此，柱腳處受力更加均勻。所以方案較原方案優越。

參考文獻：

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[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在結構計算中的運用. [M]. 北京：化學工業出版社，2011.

作者簡介：

劉中軍，男，在校本科生，第六屆全國大學生結構設計競賽西南交通大學峨眉校區代表隊隊員。

注：西南交通大學峨眉校區代表隊獲得第六屆全國大學生結構設計大賽競賽一等獎。