2011年三峡大学第二届结构设计竞赛赛题 一、竞赛赛题 竞赛赛题：带屋顶水箱的竹质多层房屋结构 二、竞赛模型 竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。模型包括小振动台系 统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个部分，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块通过实现， 小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型由参赛选手制 作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上，图1为示意性结构图。 屋顶水箱 3层竹质结构模型 配重铁块 振动台 竹质模型底板 图1模型示意图 三、模型要求 2.1几何尺寸要求 (1)底板：多层结构模型用胶水固定于模型底板上，底板为33cm×33cm×8m的竹板，底板用螺 栓固定于振动台上。 (2)模型大小：模型总高度应为75cm,允许误差为±10mm。总高度为模型底板顶面至屋顶（模型 顶面)上表面的垂直距离，但不包括屋顶水箱的高度。模型底面尺寸不得超过22cm×22cm的正方形 平面（见图2），即整个模型需放置于该指定平面范围内，模型底面外轮廓与底板边缘应有足够的距 离以保证螺栓能顺利紧固。 (3)楼层数：模型必须3个楼层，底板视为模型第一层楼板。 (4)楼层高度：每个楼层层高25cm,允许误差为土5m。楼层层高是指该楼层主要横向构件顶 部与其相邻的上一楼层主要横向构件顶部之间的最小距离。第一层层高从底板顶面开始计算。柱脚 1
1 2011 年三峡大学第二届结构设计竞赛赛题 一、竞赛赛题 竞赛赛题：带屋顶水箱的竹质多层房屋结构 二、竞赛模型 竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。模型包括小振动台系 统、上部多层结构模型和屋顶水箱三个部分，模型的各层楼面系统承受的荷载由附加铁块通过实现， 小振动台系统和屋顶水箱由承办方提供，水箱通过热熔胶固定于屋顶，多层结构模型由参赛选手制 作，并通过螺栓和竹质底板固定于振动台上，图 1 为示意性结构图。 图 1 模型示意图 三、模型要求 2.1 几何尺寸要求 (1)底板：多层结构模型用胶水固定于模型底板上，底板为 33cm×33cm×8mm 的竹板，底板用螺 栓固定于振动台上。 (2)模型大小：模型总高度应为 75cm，允许误差为±10mm。总高度为模型底板顶面至屋顶(模型 顶面)上表面的垂直距离，但不包括屋顶水箱的高度。模型底面尺寸不得超过 22cm×22cm 的正方形 平面（见图 2），即整个模型需放置于该指定平面范围内，模型底面外轮廓与底板边缘应有足够的距 离以保证螺栓能顺利紧固。 (3)楼层数：模型必须 3 个楼层，底板视为模型第一层楼板。 (4)楼层高度：每个楼层层高 25 cm，允许误差为±5mm。楼层层高是指该楼层主要横向构件顶 部与其相邻的上一楼层主要横向构件顶部之间的最小距离。第一层层高从底板顶面开始计算。柱脚
加劲肋、隅撑及其他外立面构件不影响计算楼层净高。 0 模型投影边界线 A 品 竹质模型底板 220 8*09 B 180 75 330 图2模型底板示意图（单位：mm) (⑤)使用功能要求：楼层各层空间应满足使用功能要求。在模型内部，楼层之间不能设置任何横 向及空间斜向构件（示例如图3），使铁块能顺利放进模型。 第十1晨楼面 如十I层楼面 新十1层楼面 间解自书非 外立直档作 人餐向特件 氧楼面 第层铁面 第是楼面 (a)横向构件（违规）（b)空间斜向构件（违规）（c)外立面构件（不违规） 图3构件布置示例 (6)楼层有效承载面积：楼层范围为各承重分区最外围楼层梁构件所包络的平面。在楼层范围 内与楼面构件直接接触的铁块的覆盖面积定义为楼层有效承载面积，每个楼层有效承载面积均不应 小于12*18cm2。 ()模型顶面应为平面，并满足安全放置水箱的要求。若由于顶层尺寸不合适而导致水箱无法 安装，则模型判为失效，取消振动台加载资格。 2.2模型及附加铁块安装要求 (1)利用热熔胶将附加铁块固定在模型除底层以外的各个楼层的楼面结构上，可在楼层上设置固 定铁块辅助装置，但辅助装置和铁块不能超出楼层范围且不能直接跟柱接触。 (2)提供大、小两种规格铁块。大铁块长、宽、高约分别为12cm、6cm与3.2cm,重量为1800g。 小铁块的长、宽、高约分别为6.0cm、4.5cm与3.2cm,重量为675g。由于加载设备限制，模型中附 2
2 加劲肋、隅撑及其他外立面构件不影响计算楼层净高。 图 2 模型底板示意图(单位：mm) (5)使用功能要求：楼层各层空间应满足使用功能要求。在模型内部，楼层之间不能设置任何横 向及空间斜向构件(示例如图 3)，使铁块能顺利放进模型。 图 3 构件布置示例 (6) 楼层有效承载面积：楼层范围为各承重分区最外围楼层梁构件所包络的平面。在楼层范围 内与楼面构件直接接触的铁块的覆盖面积定义为楼层有效承载面积，每个楼层有效承载面积均不应 小于 12*18 cm2。 (7)模型顶面应为平面，并满足安全放置水箱的要求。若由于顶层尺寸不合适而导致水箱无法 安装，则模型判为失效，取消振动台加载资格。 2.2 模型及附加铁块安装要求 (1)利用热熔胶将附加铁块固定在模型除底层以外的各个楼层的楼面结构上，可在楼层上设置固 定铁块辅助装置，但辅助装置和铁块不能超出楼层范围且不能直接跟柱接触。 (2)提供大、小两种规格铁块。大铁块长、宽、高约分别为 12cm、6cm 与 3.2cm，重量为 1800g。 小铁块的长、宽、高约分别为 6.0cm、4.5cm 与 3.2cm，重量为 675g。由于加载设备限制，模型中附
加铁块总重量不得低于15kg,不得超过28.5kg。铁块可以叠放。模型顶面不能放置铁块。 (3)模型顶面上应放置水箱，且水箱内注入不低于10cm高的水含水箱约2.6Kg)。水箱只允许 竖直、正向（水箱盖朝上）放置（水箱容量为4L,尺寸155mm×155mm×257mm中155mm× 155mm为上表面盒盖的外轮廓尺寸，而与模型顶层直接接触的水箱下底面外轮廓尺寸为124mm ×124mm)。 (4)模型试验仅在单一水平向施加地震作用。试验时模型放置方向由参赛者自行确定。 四、加载与测量 4.1加载设备 结构模型采用WS-Z30小型精密振动台系统进行模拟水平地震作用的加载，考察模型承载力。 激振器 水平台 图4水平振动台和激振器 图5功率放大器 4.2输入地晨波 本次竞赛采用振动台单方向加载，通过输入实测地震动数据模拟实际地震作用。振动台输入的 地震波取自2008汶川地震中什邡八角站记录的NS方向加速度时程数据，原始记录数据点时间间隔 t为0.005s,即数据采样频率f为200Hz,全部波形时长为205s,峰值加速度581gal。截取原始 记录中第10s42s区间内的数据，并通过等比例调整使峰值加速度放大为1000gal,作为本次竞赛 加载所用的基准输入波，如图6所示。 竞赛加载所用的基准输入波（什邡八角记录NS方向第10s-42s区间） 1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000 时间/s 3
3 加铁块总重量不得低于 15kg，不得超过 28.5kg。铁块可以叠放。模型顶面不能放置铁块。 (3)模型顶面上应放置水箱，且水箱内注入不低于 10cm 高的水(含水箱约 2.6Kg)。水箱只允许 竖直、正向(水箱盖朝上)放置(水箱容量为 4L，尺寸 155mm×155mm×257mm 中 155mm× 155mm 为上表面盒盖的外轮廓尺寸，而与模型顶层直接接触的水箱下底面外轮廓尺寸为 124mm ×124mm)。 （4）模型试验仅在单一水平向施加地震作用。试验时模型放置方向由参赛者自行确定。 四、 加载与测量 4.1 加载设备 结构模型采用 WS-Z30 小型精密振动台系统进行模拟水平地震作用的加载，考察模型承载力。 图 4 水平振动台和激振器 图 5 功率放大器 4.2 输入地震波 本次竞赛采用振动台单方向加载，通过输入实测地震动数据模拟实际地震作用。振动台输入的 地震波取自 2008 汶川地震中什邡八角站记录的 NS 方向加速度时程数据，原始记录数据点时间间隔 t 为 0.005s，即数据采样频率 f 为 200Hz，全部波形时长为 205s，峰值加速度 581gal。截取原始 记录中第 10s~42s 区间内的数据，并通过等比例调整使峰值加速度放大为 1000gal，作为本次竞赛 加载所用的基准输入波，如图 6 所示。 竞赛加载所用的基准输入波（什邡八角记录NS方向第10s-42s区间） -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 时间/s 加速度/gal
图6竞赛加载所用的基准输入波(32s) 4.3荷载施加方式 竞赛加载共分三级进行。在三级加载中，通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获 得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波，以全面检验模型对于不同强度和频谱成分地 震波作用下的承载能力。加载时功率放大器的增益(Gala)旋钮统一调至90度标识，此时三级加载的 设备输入电压和数据采样频率控制值如下表1所示。 表1振动台在台面空载工况下实际输出的台面最大加速度 加载等级 输入电压 采样频率 加载时间 台面最大加速度参考值 第一级 0.4V 200Hz 32秒 0.353g 第二级 0.6V 250Hz 26秒 0.783g 第三级 0.7V 300Hz 21秒 1.130g 注：上表中的台面最大加速度参考值通过连接于加载设备台面的加速度传感器测量得到。实际输出的台面加速 度峰值会因模型结构型式、附加铁块重量及布置方式的不同而存在一定差异。 4.4台面振动加速度峰值的测量 在对每个模型的每一级加载过程中，都通过传感器对台面振动加速度进行实测。本次竞赛采用 的加载设备所允许的台面最大位移为士8m皿，若一些模型在加载过程中，振动台台面位移超限，致使 台面与限位装置撞击，产生高频加速度分量，将会对结果产生影响。因此实测的台面振动加速度将 经过滤波处理后输出，设定加载设备的滤波限值为低通20Hz。加载成功后，取表1所列相应加载等 级的台面振动加速度的参考值，用于最终模型效率比的计算（参见第七项：评分标准）。 4.5棋型失效评判准则 在进行加载时，出现下列任一情形则判定为模型失效，不能继续加载。同时，将上一个加载级 别视为该模型实际所能通过的最高加载级别，并作为模型效率比计算的依据（参见第七项：评分标 准)。 (1)第一级加载时：模型中的任一构件出现破坏； (2）第二级加载时：棋型的主要构件一一梁和柱中任一构件出现破坏； (3)第三级加载时：模型整体或任一楼层发生坍塌或任一柱脚脱离底板； (4)每一级加载过程中有铁块脱落或水箱飞出。 上述失效准则中的“构件破坏”定义为构件出现明显开裂、断开或者节点脱开。 五、模型材料 竞赛期间，承办方为各队提供如下材料用于模型制作。 (1)竹材：用于制作结构构件。有如下二种规格： 编号 竹材规格 款式 单张重量(g)
4 图 6 竞赛加载所用的基准输入波（32s） 4.3 荷载施加方式 竞赛加载共分三级进行。在三级加载中，通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获 得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波，以全面检验模型对于不同强度和频谱成分地 震波作用下的承载能力。加载时功率放大器的增益(Gala)旋钮统一调至 90 度标识，此时三级加载的 设备输入电压和数据采样频率控制值如下表 1 所示。 表 1 振动台在台面空载工况下实际输出的台面最大加速度 加载等级 输入电压 采样频率 加载时间 台面最大加速度参考值 第一级 0.4V 200Hz 32 秒 0.353g 第二级 0.6V 250Hz 26 秒 0.783g 第三级 0.7V 300Hz 21 秒 1.130g 注：上表中的台面最大加速度参考值通过连接于加载设备台面的加速度传感器测量得到。实际输出的台面加速 度峰值会因模型结构型式、附加铁块重量及布置方式的不同而存在一定差异。 4.4 台面振动加速度峰值的测量 在对每个模型的每一级加载过程中，都通过传感器对台面振动加速度进行实测。本次竞赛采用 的加载设备所允许的台面最大位移为±8mm，若一些模型在加载过程中，振动台台面位移超限，致使 台面与限位装置撞击，产生高频加速度分量，将会对结果产生影响。因此实测的台面振动加速度将 经过滤波处理后输出，设定加载设备的滤波限值为低通 20Hz。加载成功后，取表 1 所列相应加载等 级的台面振动加速度的参考值 I，用于最终模型效率比的计算（参见第七项：评分标准）。 4.5 模型失效评判准则 在进行加载时，出现下列任一情形则判定为模型失效，不能继续加载。同时，将上一个加载级 别视为该模型实际所能通过的最高加载级别，并作为模型效率比计算的依据（参见第七项：评分标 准）。 (1) 第一级加载时：模型中的任一构件出现破坏； (2) 第二级加载时：模型的主要构件——梁和柱中任一构件出现破坏； (3) 第三级加载时：模型整体或任一楼层发生坍塌或任一柱脚脱离底板； (4) 每一级加载过程中有铁块脱落或水箱飞出。 上述失效准则中的“构件破坏”定义为构件出现明显开裂、断开或者节点脱开。 五、模型材料 竞赛期间，承办方为各队提供如下材料用于模型制作。 (1) 竹材：用于制作结构构件。有如下二种规格： 编号 竹材规格 款式 单张重量(g)
1 1250×430×0.35mm 本色侧压双层复压竹皮 186 2 1250×430×0.20mm 本色侧压单层复压竹皮 108 竹材力学性能参考值：弹性模量1.0×10MPa,抗拉强度60MPa。 (2)502胶水：用于模型结构构件之间的连接固定。 (3)热熔胶：用于铁块，水箱与模型的固定。 (4)模型底板：底板厚度约8mm,长与宽分别为33cm和33cm。底板上除预设孔洞外，不得另行 钻孔。 (5)砂纸：用于打磨竹材的边角。 以下制作工具参赛选手自备：美工刀、钢尺、锉刀、改锥等。 六、模型现场安装、加载及测试步骤 6.1棋型称重 模型净重M(不含底板和螺栓)的测量将采取如下方式： ①在各队上交作品时发放底板，并进行底板称重，记为M: ②各队制作完模型，将模型在底板上固定好并重新提交模型（注意，此时并不安装铁块和水箱）， 对模型进行总质量称重，记为M: ③模型净重MM(不含底板和螺栓)按下式计算：M=M-M。以上质量计量单位均为g。 6.2赛前准备 (1)模型称重：将制作好的模型（不含底板、铁块和水箱）称重（精度0.1g),将模型安装在底 板上。 (2)进行高度测量，测出每一层所放置铁块的最底面至模型底板的垂直高度五：测出模型实际总 高度品以上高度计量单位均为cm。 (3)得到加载指令后，将铁块固定在棋型上，核查每层铁块的数目及覆盖面积是否与所提交方案 吻合，计算每层承受的附加铁块质量：统计水箱中的注水质量（酚： (4)根据式(1)计算模型等效负载重量丽 形公务+)高 (1) (⑤)迅速将模型及底板安装在振动台上，紧固螺栓，固定水箱，准备进行加载。赛场内安装时间 不得超过10分钟。 (6)以上过程由各队自行完成，赛会人员负责监督、标定测量仪器和记录。如在此过程中出现模 型损坏，则视为丧失比赛资格。 6.3加载及测试步骤 参赛队依次上场进行三级加载，每级加载完成后依据4.4的失效评判准则评价模型是否失效。 七、评分标准 7.1总分构成 5
5 1 1250×430×0.35mm 本色侧压双层复压竹皮 186 2 1250×430×0.20mm 本色侧压单层复压竹皮 108 竹材力学性能参考值：弹性模量 1.0×104 MPa，抗拉强度 60MPa。 (2) 502 胶水：用于模型结构构件之间的连接固定。 (3) 热熔胶：用于铁块，水箱与模型的固定。 (4) 模型底板：底板厚度约 8mm，长与宽分别为 33cm 和 33cm。底板上除预设孔洞外，不得另行 钻孔。 （5）砂纸：用于打磨竹材的边角。 以下制作工具参赛选手自备：美工刀、钢尺、锉刀、改锥等。 六、模型现场安装、加载及测试步骤 6.1 模型称重 模型净重 MM(不含底板和螺栓)的测量将采取如下方式： ①在各队上交作品时发放底板，并进行底板称重，记为 MM； ②各队制作完模型，将模型在底板上固定好并重新提交模型（注意，此时并不安装铁块和水箱）， 对模型进行总质量称重，记为 MT； ③模型净重 MM (不含底板和螺栓)按下式计算：MM = MT - MB。以上质量计量单位均为 g。 6.2 赛前准备 (1)模型称重：将制作好的模型（不含底板、铁块和水箱）称重（精度 0.1g），将模型安装在底 板上。 (2)进行高度测量，测出每一层所放置铁块的最底面至模型底板的垂直高度 hi；测出模型实际总 高度 H；以上高度计量单位均为 cm。 (3)得到加载指令后，将铁块固定在模型上，核查每层铁块的数目及覆盖面积是否与所提交方案 吻合，计算每层承受的附加铁块质量 Wi；统计水箱中的注水质量(WW)； (4)根据式(1)计算模型等效负载重量 We： =( )100 + i e i w h H W W W H （１） (5)迅速将模型及底板安装在振动台上，紧固螺栓，固定水箱，准备进行加载。赛场内安装时间 不得超过 10 分钟。 (6)以上过程由各队自行完成，赛会人员负责监督、标定测量仪器和记录。如在此过程中出现模 型损坏，则视为丧失比赛资格。 6.3 加载及测试步骤 参赛队依次上场进行三级加载，每级加载完成后依据 4.4 的失效评判准则评价模型是否失效。 七、评分标准 7.1 总分构成
结构评分按总分100分计算，其中包括： (1)设计图及计算书15% (共15分) (2)结构选型与制作质量15% (共15分) (3)加载表现评分70% (共70分) 7.2评分细则 A.设计图及计算书 (1)设计图表达的清晰性、规范性 (共10分) (2)计算内容的完整性与正确性 (共5分) 注：设计图包含：结构选型及说明、节点构造、模型加工图（含材料表）、铁块分布详图、水箱 注水重量。 计算书包含：结构选型、结构建模及主要计算参数、受荷分析等。 B.结构选型与制作质量 (1)结构合理性与创新性 (共8分) (2)模型制作美观性 (共7分) C.加载表现评分 本次比赛各组模型在加载环节的表现将根据其效率比E的计算结果进行评分。效率比E的 计算如式(2)所示： 恶 (2) 其中各项指标的意义与计算如下： W。为所有各层铁块的总重量()和水箱注水重量（所），并考虑高度的加权系数后计算得到的 等效负载重量，如式(1)所示： M为模型（不含底板和螺栓）质量。参赛模型质量应控制在300g以内，每超过控制质量1%， 将在该队所得总分基础上再扣除3%，扣完为至。 I为该级加载完成后该级振动台在台面空载工况下实际输出的台面最大加速度（见表1）。 设E为所有模型中的最高效率比，各模型根据其效率比结果获得的加载表现分K的计算公 式如式(3)： K= E×70 Emax (3) 以上A-C各项得分相加，分数最高者优胜。 八、其他事项 (1)本赛题参照第五届全国大学生结构设计竞赛赛题修编而成，参赛学生可通过 http:/www.ccea.zju.edu.cn/structure/redir.php?catalog_id=34&object_id=3088网址参阅相 关事项，但具体比赛事项及条文以本赛题为准。 (2)本赛题具体细则的最终解释权归土木与建筑学院所有。 6
6 结构评分按总分 100 分计算，其中包括： (1)设计图及计算书 15% （共 15 分） (2)结构选型与制作质量 15% （共 15 分） (3)加载表现评分 70% （共 70 分） 7.2 评分细则 A. 设计图及计算书 (1) 设计图表达的清晰性、规范性 (共 10 分) (2) 计算内容的完整性与正确性 (共 5 分) 注：设计图包含：结构选型及说明、节点构造、模型加工图（含材料表）、铁块分布详图、水箱 注水重量。 计算书包含：结构选型、结构建模及主要计算参数、受荷分析等。 B. 结构选型与制作质量 (1) 结构合理性与创新性 (共 8 分) (2) 模型制作美观性 (共 7 分) C. 加载表现评分 本次比赛各组模型在加载环节的表现将根据其效率比 Ei的计算结果进行评分。效率比 Ei的 计算如式(2)所示： i = 100 e M I W E M (2) 其中各项指标的意义与计算如下： We为所有各层铁块的总重量(Wi)和水箱注水重量(WW)，并考虑高度的加权系数后计算得到的 等效负载重量，如式(1)所示； MM为模型(不含底板和螺栓)质量。参赛模型质量应控制在 300g 以内，每超过控制质量 1%， 将在该队所得总分基础上再扣除 3%，扣完为至。 I 为该级加载完成后该级振动台在台面空载工况下实际输出的台面最大加速度(见表 1)。 设 Emax 为所有模型中的最高效率比，各模型根据其效率比结果获得的加载表现分 K 的计算公 式如式(3)： i max K= 70 E E (3) 以上 A-C 各项得分相加，分数最高者优胜。 八、其他事项 (1) 本赛题参照第五届全国大学生结构设计竞赛赛题修编而成，参赛学生可通过 http://www.ccea.zju.edu.cn/structure/redir.php?catalog_id=34&object_id=3088 网址参阅相 关事项，但具体比赛事项及条文以本赛题为准。 (2)本赛题具体细则的最终解释权归土木与建筑学院所有
7
7