關于樓房的結構和材料與其抗震能力的關系研究報告

劉潤杰

摘 要：我們根據現代樓房的基本結構，設計了一種等腰梯形的房屋結構，之后我們通過網絡和一些書籍中尋找到了樓房中的常見力矩，在學校工程師鄧放明老師的指點下，做出了十分結實的模型，通過測量與數據統計的結果，最后經過組內的討論交流，發現了許多問題，在后面的正文部分會具體提到。對于樓房的結構和材料與其抗震能力的關系，我們小組成員都有了進一步的了解，也激發了我們對結構設計，土木工程這一方面的興趣。

關鍵詞：現代樓房基本結構；常見力矩；土木工程；結構設計

一、課題研究步驟及內容

第一步：設計房屋結構

具體活動：小組成員根據自己的想法每人設計一種模型的圖紙，然后討論，詢問指導老師得出最佳方案。

第二步：模型制作

具體活動：通過所學物理知識，在校園工程師鄧放明老師的指導下，我們完成了多個模型。[具體結構見（四）模型制作中的具體問題]

第三步：加載實驗與數據統計分析

具體活動：對我們制作出來的模型進行加載實驗，并記錄實驗數據求出γ值。

第四步：得出結論

具體活動：根據第三步中求出的γ值，對各個模型的抗震性能進行對比，并選出最好的模型，分析其結構。

二、現代樓房的基本防震措施

工程結構的抗振動是在干涉作用下減少工程結構或部件振動的措施。工程結構的振動可分為對應于擾動力的四種類型：周期振動，非周期振動，沖擊振動和隨機振動。在工程中遇到周期振動中的簡諧振動。

（1）主動隔離。為了減少動載荷設備對支撐結構，生產人員和設備振動的影響，采用振動源（動態設備）進行隔振措施。

（2）被動隔振。為了減少支撐精密設備結構振動對精密設備的影響，精密設備采用隔振措施。無論是主動隔振還是被動隔振，該方法是在隔振設備和支撐結構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隔振系統的固有頻率大于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構的隔振。阻尼材料包括橡膠，乳膠海綿，軟木和玻璃纖維。

工程結構抗振動：（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構中以隔離振動。該彈簧機械性能穩定，結構簡單，鋼彈簧阻尼小，使隔振系統的固有頻率低于3 Hz。適用于振動較大的動力設備的主動隔振。對于精密設備的被動隔振，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。橡膠成型簡單，加工方便，易于制作各種不同形狀和不同應力狀態的幾何形狀，因此橡膠減震器種類繁多，阻尼較大（能夠達到0.1以上），應用廣泛。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。

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

主動隔振技術在電力設備中的應用現已十分普遍。對于轉速大于400轉/分的動力設備，或者產生沖擊和干涉力的設備，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。通常難以隔離轉速小于400轉/分的動力設備的振動。通常，采用增加車間水平剛度或基礎平面尺寸的方法來減小振動。

精密設備的被動隔振主要是將振動與支撐設備的結構隔離開來，使隔振后支撐結構的振動小于精密設備的允許振動。其指數可能是位移，或速度或加速度。支撐結構的振動由兩部分組成：

1）空調設備和加工等動力設備引起的機械振動；

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

三、模型制作中的具體問題

一號模型

模型規格：

制作時間：6個小時左右

質量：136g（靜載，扭轉均通過）

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根長方體白卡紙房梁。（邊長分別為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。

一號模型是小組成員們自己摸索著做的，工藝不是特別細致，但是也算比較穩健，因為不太熟悉乳白膠的特性，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，這樣做其實是會削弱立柱的強度，然而我們的柱子還能夠完成加載試驗，說明三層紙的強度是遠遠大于極限值的。

二號模型

模型規格：

制作時間：3個小時左右

質量：105g（靜載，扭轉均通過）

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構，加入在兩根梁與立柱的連接處有三角形紙片固定。

二號模型是一號模型在經過老師指點后做出的第二個模型立柱減少一圈紙，材料大幅度減少，質量自然減輕了不少，熟悉了乳白膠的特性后粘貼工藝也好了許多，二號模型在加載實驗中表現良好，所以我們決定在立柱和房梁處做文章，減小其質量。

三號模型

模型規格：

制作時間：3個小時左右

質量：69g（靜載，扭轉均通過）

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度。

三號模型本是一個預計的極值模型，我們將所有的立柱都減到了兩層紙，橫梁全部由三棱柱變為單層紙圓柱，質量直接減少30g，兩個實驗卻也是輕松通過了，說明了這還不是白卡紙的極限。

四號模型

模型規格：

制作時間：3個小時左右

質量：61g（靜載，扭轉均通過）

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，使其結構為竹筒狀。（仿生結構）

四號模型的立柱為豎直立柱，整體為長方體而不是臺體，且立柱又減少了一層，立柱呈竹筒狀，其強度甚至比兩層紙更加堅固。然而在后面的計算中豎直立柱的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

本課題采用了文獻法和數據統計法等研究方法。

（一）文獻法

我們充分地利用了網絡、雜志、書刊和所學知識，以及向指導老師咨詢相關信息，使我們后來的研究有了目的性和科學性。

（二）數據統計法

我們將光學傳感器的示數通過專業軟件繪制成了震動圖像，以便于γ值的計算。

五、課題結論

（1）房梁，柱子部分只需用一層紙即可滿足載重條件。

（2）側面斜拉條必須要拉，來平衡水平方向的扭轉力的分力。

（3）立柱中間塞入小圓紙餅，將其做成竹筒狀，能在最輕的質量下發揮材料的強度。（仿生結構）

（4）橫梁的強度完全足夠，可以盡可能的減弱。

（5）理論上，柔性結構的抗扭轉能力優于剛性結構，但是從γ的計算值來看，剛性結構的γ值遠小于柔性結構的γ值，所以說雖然柔性結構在能量的散失能力方面優于剛性結構，但在實際操作過程中剛性結構的第三峰值扭轉角較小。

六、存在的問題以及有待改進的地方

雖然我們希望我們的研究實驗工作能十分完善，但在實現我們研究計劃的過程中，我們遺憾地發現研究工作的困難以及不規范，有很多需要改進的地方，如：計劃不夠完善，時間安排不夠妥當，專業知識過少等等問題，這些有待于在將來的研究中改進。

七、結語

這次研究性學習使我們充分的了解了樓房的結構和材料與其抗震能力的關系。在研究性學習中，我們克服了種種困難，我們認識到了我們現在所學習的知識只是皮毛，想要真正的了解這個世界的規律，我們需要更加努力地學習，激發了我們對日后的學習生活的熱情，希望這樣的研究性學習在日后能夠更多更好的開展。

參考文獻：

[1]周明華.土木工程結構試驗與檢測.第2版[M].東南大學出版社，2010.

[2]李智敏，屠泓為，田勤儉，等.2008年青海大柴旦6.3級地震及發震背景研究[J].地球物理學進展，2010，25（3）：768-774.