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中科院力学所
抗泥石流冲击吊脚楼房屋结构竞赛模型设计1)
力学园地
2016年01月04日？？？？？ 抗泥石流冲击吊脚楼房屋结构竞赛模型设计1)
程远兵2），陈记豪，尹晓飞，朱武旗，张宏光
（华北水利水电学院土木与交通学院，郑州 450011）
？
摘要 介绍了一种抗泥石流冲击吊脚楼房屋结构竞赛模型的设计方案．该方案采用框架结构，在底层空心楼面梁中内置了能量转换梁．能量转换梁上表面在上部子结构柱支承处设置有斜面．能量转换梁在撞击后产生水平位移的同时能够带动上部子结构的升高，将外部撞击的水平动能转换为上部子结构升高所需的势能．给出了这种结构的细部构造设计方案，并进行了力学的概念分析和简化的结构计算．实验表明模型结构的抗撞击性能良好．关键词泥石流，冲击，吊脚楼房屋，能量转换，结构模型设计竞赛
中图分类号：tu312？？ 文献识别码：a
文章编号：
？
competition model design of anti mud-rock flow lash structure of pillar supported house1)
cheng yuanbing2)，chen jihao，yin xiaofei，zhu wuqi，zhang hongguang
(school of civil and transportation engineering, north china university of water conservancy and electric power，
zhengzhou 450011)
？abstract：a anti mud-rock lash structure competition model of pillar supported house was introduced. frame structure was adopted in the model and energy transform beams were built in the hollow floor beams. the upper face of the energy transform beam was inclined at the support position of the upper column. the energy transform beam can raise the upper structure when horizontal shift was produced after lash. based on the principle of energy conversion, the horizontal impact kinetic energy was transformed into the potential energy needed by the rise of upper sub-structure. construction details of the model was introduced, structure mechanics analysis and simplified calculation was conducted. experimental result shows the anti impact performance of the structure model is good.
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引言
全国大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛[1][2][3]。这项赛事富含趣味性和竞争性，能有效地培养学生综合运用材料、力学和结构等专业知识主动动手解决问题的能力，同时还能很好地培养学生的团队与合作、沟通与交流等能力。竞赛涉及学生在结构的概念和选型、材料的力学特点及选用、结构的力学分析与计算、结构的构造及制作、测试装置制作及实验、科技文献写作、设计理念沟通与表达等方面的知识运用和能力培养，对学生是一次难得的专业综合训练机会。
第六届全国大学生结构设计竞赛于2012年10月在重庆大学举行，本届竞赛的题目是吊脚楼房屋抵抗泥石流、滑坡等地质灾害的结构模型设计及制作[4][5]．本文作者（包括指导教师、带队教师、参赛学生）组成的参赛队参加了本次竞赛，参赛模型采用了一种带撞击能量转换装置的框架结构，受到大赛专家委员会的好评，并获得了最佳创意奖[6]．本文主要介绍该竞赛模型的设计、制作、力学分析及结构计算等相关内容．
吊脚楼作为传统民居，分布在我国广大的山区地区，多建于山坡地段．传统的吊脚楼房屋主体采用木结构，下部（吊脚层）采用不等高的木柱支撑，上部为单层或多层木框架结构．吊脚楼建筑上部通风、防潮，又能防毒蛇、野兽等，主要用于居住；下部一般为开敞或半开敞空间，主要用于关养家禽家畜或堆放杂物．
吊脚楼呈虎坐形，依山就势，因地制宜，就地取材，具有极强的适应性．这种建筑型式最大限度地减少
2013-1-8收到第1稿，2013-3-20收到修改稿．
1) 华北水利水电学院第二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛资助项目，华北水利水电学院大学生创新性试验计划项目(2e 05)．
2) 程远兵，1965年生，男，教授，博士，研究方向为结构抗震理论．e-mail：cyb-ny@163.com
了土石方开挖，避免了环境破坏，节约了土地，造价较廉，是中华民族悠久历史文化传承的象征，也是先辈们巧夺天工的聪明智慧和经验技能的充分体现．
随着时代的发展，现在的吊脚楼已经从传统的木结构发展为钢筋混凝土框架结构或砌体结构．这些吊脚楼的吊脚层采用不等高的钢筋混凝土柱或砖柱，上部结构采用框架结构或砖混结构，虽然沿用了传统吊脚楼的结构型式，但其结构布置更灵活、承载力更高、耐久性更好．
在结构型式和受力方面，吊脚楼结构的下部（即吊脚层）仅设有为数不多的立柱，上部柱和墙体较多，结构的荷载也多分布在上部，因此吊脚楼属于上下变刚度的不规则结构，头重脚轻．由于山区地区大都存在较高的泥石流、滑坡、滚石和地震等地质灾害风险，地质灾害是这种建筑的天敌．因此，如何提高吊脚楼建筑抵抗这些地质灾害的能力，是具有现实意义的．
第六届全国大学生结构设计竞赛题目紧密结合上述工程实际问题．题目中的吊脚楼模型限定为四层，以在滑道内不同下落高度（高差分别为400mm、800mm和1200mm）滚下的钢球模拟泥石流或山体滑坡作用．钢球撞击固定于一层楼面外的撞击架的前撞击板，撞击部位限定在前撞击板的中间位置，撞击作用通过撞击架传给模型房屋结构．在模型房屋的上部楼面放置有规定重量的钢板，以模拟各层楼面系统承受的实际竖向荷载．屋面荷重由各参赛队自定．在撞击架的后固定板中间处固定有加速度传感器．模型加载成绩以加速度乘以承载自重比计分．
竞赛题目限定的模型主要制作材料为竹皮和502胶，楼层净尺寸不得小于200mm，外包尺寸不得大于240mm，楼面层高为220mm 5mm，楼面层净高不小于200mm，吊脚层长柱高度为340mm 10mm．在吊脚层柱净高范围内，不得设置任何侧向约束．模型内部不得设置任何妨碍建筑功能的构件．模型底部固定于倾角为30 的底座上．
1 本参赛模型的设计思路
泥石流、滑坡、滚石、地震等地质灾害对房屋结构的作用过程，实际上都是能量在结构中转换、吸收和耗散的过程．参赛模型设计的目标，实质上是尽可能做到结构能够耗散、吸收或转化钢球撞击作用传递给结构的能量，并使结构不会发生破坏或严重破坏．
传统的结构抗震抗撞击设计方法[7]，大多是采用结构塑性变形来耗能，通过弹性变形来恢复；或是采用减震隔震方法，降低结构的振动作用．考虑到结构都具有很大的质量，使这些质量上升，就能吸收大量的能量，因此，基于能量转换原理，如果能设计出一种能量转换结构模型，使得在滑道内滚下的钢球传递给结构的能量转换成结构质量的竖向上升，这样就能实现外部撞击能量在模型结构内的转换和吸收，模型结构的水平振动和结构破坏也会减轻．
根据全国大学生结构设计竞赛的宗旨，为锻炼参赛学生的创新能力、鼓励学生放飞思维、创意无限，本参赛模型没有采用传统的结构抗震抗撞击设计方法，而主要基于能量转换原理进行设计．
2 本参赛模型采用的能量转换结构
根据竞赛题目的要求及限制条件，参赛模型的结构型式选为框架结构．基于上述思路，将模型结构的柱子在一层楼面（撞击水平面）上一定高度处分开，把整体结构设计为上下两个子结构，上部结构柱的底端以竖向可动铰支座的形式支承在下部结构上．为获得良好的承载自重比，结构梁柱多设计为空心薄壁杆件．在一层楼面撞击方向的空心框架梁内，设置可水平滑动的撞击能量转换梁，转换梁在上部子结构柱下端的支承位置处设计为斜面．上部子结构柱的下端做成缩小的实心截面，套在下部结构柱的空心截面内．转换梁在受到水平撞击后，水平方向产生位移就可以带动上部结构升高（图1）．
本方案中的能量转换梁，因为不会延长撞击的接触时间，不会降低撞击作用力，因而不属于缓冲装置；转换梁承受了上部结构的总荷载，并通过吊脚层的楼面结构和梁柱节点传递给下部结构，因而转换梁的设置符合竞赛规则的要求．
在上述设计方法中，转换梁是模型结构的重要构件．水平方向的撞击动能通过转换梁转换为上部结构升高所需要的势能，实现能量的转换和吸收．需要说明的是，此种主要针对参赛模型的设计思路，虽然在工程实际应用中具有局限性，但对工程实践仍具有借鉴作用，不失为一种创新．
本参赛模型及试验装置的鸟瞰图见图2．在前期的实验过程中，为节省经费，本参赛队实验装置的底座采用混凝土梁，滑道采用切开的不锈钢管弯成，滑道支架采用？ 图1能量转换结构
结构胶固定于底座上的螺纹钢筋制成，模型底座用10mm厚钢板弯曲成型，结构胶粘结在混凝土梁上．参赛模型的鸟瞰图见图3．吊脚层柱采用箱形截面，其余梁柱采用空心截面．顶层楼板采用实心截面，二、三层楼板采用开洞截面，一层不设置楼板．能量转换梁细部构造见图4和图5．为保证上部子结构的升高和水平撞击力的传递，在上部子结构柱的下端设置导向滑槽，在下部空心柱截面的内侧设置导向滑条，实验表明，这些措施能有效地保证结构的传力和上部子结构的升高。
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图2 模型及试验装置鸟瞰图？？？？？？？？？？？？？？ ？？？？？？？图3 模型鸟瞰图？？？？？ ？？？？？？？？？？？？？？？？？？图4 能量转换梁
3 参赛作品命名
参赛作品命名为“升”．书法汉字“升”字（图6）形象而生动地表明了本参赛模型结构的能量转换原理，升字上面的日字代表吊脚楼的上部结构-居住层，下面的两竖代表吊脚楼的下部结构-吊脚楼的立柱，中间的一横代表能量转换梁，一横向左移动，带动下部升字左上角的一撇前移，顶起上部结构上升，完成能量转换．？ ？？？
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图5 能量转换梁细部构造？？？？？？？？？？？？ 图6 汉字“升”
4 模型制作、细部构造处理
（1）模型制作材料及特点