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中科院力學所
抗泥石流沖擊吊腳樓房屋結構競賽模型設計1)
力學園地
2016年01月04日？？？？？ 抗泥石流沖擊吊腳樓房屋結構競賽模型設計1)
程遠兵2），陳記豪，尹曉飛，朱武旗，張宏光
（華北水利水電學院土木與交通學院，鄭州 450011）
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摘要 介紹了一種抗泥石流沖擊吊腳樓房屋結構競賽模型的設計方案．該方案采用框架結構，在底層空心樓面梁中內置了能量轉換梁．能量轉換梁上表面在上部子結構柱支承處設置有斜面．能量轉換梁在撞擊后產生水平位移的同時能夠帶動上部子結構的升高，將外部撞擊的水平動能轉換為上部子結構升高所需的勢能．給出了這種結構的細部構造設計方案，并進行了力學的概念分析和簡化的結構計算．實驗表明模型結構的抗撞擊性能良好．關鍵詞泥石流，沖擊，吊腳樓房屋，能量轉換，結構模型設計競賽
中圖分類號：TU312？？ 文獻識別碼：A
文章編號：
？
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
全國大學生結構設計競賽是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽[1][2][3]。這項賽事富含趣味性和競爭性，能有效地培養(yǎng)學生綜合運用材料、力學和結構等專業(yè)知識主動動手解決問題的能力，同時還能很好地培養(yǎng)學生的團隊與合作、溝通與交流等能力。競賽涉及學生在結構的概念和選型、材料的力學特點及選用、結構的力學分析與計算、結構的構造及制作、測試裝置制作及實驗、科技文獻寫作、設計理念溝通與表達等方面的知識運用和能力培養(yǎng)，對學生是一次難得的專業(yè)綜合訓練機會。
第六屆全國大學生結構設計競賽于2012年10月在重慶大學舉行，本屆競賽的題目是吊腳樓房屋抵抗泥石流、滑坡等地質災害的結構模型設計及制作[4][5]．本文作者（包括指導教師、帶隊教師、參賽學生）組成的參賽隊參加了本次競賽，參賽模型采用了一種帶撞擊能量轉換裝置的框架結構，受到大賽專家委員會的好評，并獲得了最佳創(chuàng)意獎[6]．本文主要介紹該競賽模型的設計、制作、力學分析及結構計算等相關內容．
吊腳樓作為傳統(tǒng)民居，分布在我國廣大的山區(qū)地區(qū)，多建于山坡地段．傳統(tǒng)的吊腳樓房屋主體采用木結構，下部（吊腳層）采用不等高的木柱支撐，上部為單層或多層木框架結構．吊腳樓建筑上部通風、防潮，又能防毒蛇、野獸等，主要用于居住；下部一般為開敞或半開敞空間，主要用于關養(yǎng)家禽家畜或堆放雜物．
吊腳樓呈虎坐形，依山就勢，因地制宜，就地取材，具有極強的適應性．這種建筑型式最大限度地減少
2013-1-8收到第1稿，2013-3-20收到修改稿．
1) 華北水利水電學院第二屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽資助項目，華北水利水電學院大學生創(chuàng)新性試驗計劃項目(2E+05)．
2) 程遠兵，1965年生，男，教授，博士，研究方向為結構抗震理論．E-mail：cyb-ny@163.com
了土石方開挖，避免了環(huán)境破壞，節(jié)約了土地，造價較廉，是中華民族悠久歷史文化傳承的象征，也是先輩們巧奪天工的聰明智慧和經驗技能的充分體現．
隨著時代的發(fā)展，現在的吊腳樓已經從傳統(tǒng)的木結構發(fā)展為鋼筋混凝土框架結構或砌體結構．這些吊腳樓的吊腳層采用不等高的鋼筋混凝土柱或磚柱，上部結構采用框架結構或磚混結構，雖然沿用了傳統(tǒng)吊腳樓的結構型式，但其結構布置更靈活、承載力更高、耐久性更好．
在結構型式和受力方面，吊腳樓結構的下部（即吊腳層）僅設有為數不多的立柱，上部柱和墻體較多，結構的荷載也多分布在上部，因此吊腳樓屬于上下變剛度的不規(guī)則結構，頭重腳輕．由于山區(qū)地區(qū)大都存在較高的泥石流、滑坡、滾石和地震等地質災害風險，地質災害是這種建筑的天敵．因此，如何提高吊腳樓建筑抵抗這些地質災害的能力，是具有現實意義的．
第六屆全國大學生結構設計競賽題目緊密結合上述工程實際問題．題目中的吊腳樓模型限定為四層，以在滑道內不同下落高度（高差分別為400mm、800mm和1200mm）滾下的鋼球模擬泥石流或山體滑坡作用．鋼球撞擊固定于一層樓面外的撞擊架的前撞擊板，撞擊部位限定在前撞擊板的中間位置，撞擊作用通過撞擊架傳給模型房屋結構．在模型房屋的上部樓面放置有規(guī)定重量的鋼板，以模擬各層樓面系統(tǒng)承受的實際豎向荷載．屋面荷重由各參賽隊自定．在撞擊架的后固定板中間處固定有加速度傳感器．模型加載成績以加速度乘以承載自重比計分．
競賽題目限定的模型主要制作材料為竹皮和502膠，樓層凈尺寸不得小于200mm，外包尺寸不得大于240mm，樓面層高為220mm 5mm，樓面層凈高不小于200mm，吊腳層長柱高度為340mm 10mm．在吊腳層柱凈高范圍內，不得設置任何側向約束．模型內部不得設置任何妨礙建筑功能的構件．模型底部固定于傾角為30 的底座上．
1 本參賽模型的設計思路
泥石流、滑坡、滾石、地震等地質災害對房屋結構的作用過程，實際上都是能量在結構中轉換、吸收和耗散的過程．參賽模型設計的目標，實質上是盡可能做到結構能夠耗散、吸收或轉化鋼球撞擊作用傳遞給結構的能量，并使結構不會發(fā)生破壞或嚴重破壞．
傳統(tǒng)的結構抗震抗撞擊設計方法[7]，大多是采用結構塑性變形來耗能，通過彈性變形來恢復；或是采用減震隔震方法，降低結構的振動作用．考慮到結構都具有很大的質量，使這些質量上升，就能吸收大量的能量，因此，基于能量轉換原理，如果能設計出一種能量轉換結構模型，使得在滑道內滾下的鋼球傳遞給結構的能量轉換成結構質量的豎向上升，這樣就能實現外部撞擊能量在模型結構內的轉換和吸收，模型結構的水平振動和結構破壞也會減輕．
根據全國大學生結構設計競賽的宗旨，為鍛煉參賽學生的創(chuàng)新能力、鼓勵學生放飛思維、創(chuàng)意無限，本參賽模型沒有采用傳統(tǒng)的結構抗震抗撞擊設計方法，而主要基于能量轉換原理進行設計．
2 本參賽模型采用的能量轉換結構
根據競賽題目的要求及限制條件，參賽模型的結構型式選為框架結構．基于上述思路，將模型結構的柱子在一層樓面（撞擊水平面）上一定高度處分開，把整體結構設計為上下兩個子結構，上部結構柱的底端以豎向可動鉸支座的形式支承在下部結構上．為獲得良好的承載自重比，結構梁柱多設計為空心薄壁桿件．在一層樓面撞擊方向的空心框架梁內，設置可水平滑動的撞擊能量轉換梁，轉換梁在上部子結構柱下端的支承位置處設計為斜面．上部子結構柱的下端做成縮小的實心截面，套在下部結構柱的空心截面內．轉換梁在受到水平撞擊后，水平方向產生位移就可以帶動上部結構升高（圖1）．
本方案中的能量轉換梁，因為不會延長撞擊的接觸時間，不會降低撞擊作用力，因而不屬于緩沖裝置；轉換梁承受了上部結構的總荷載，并通過吊腳層的樓面結構和梁柱節(jié)點傳遞給下部結構，因而轉換梁的設置符合競賽規(guī)則的要求．
在上述設計方法中，轉換梁是模型結構的重要構件．水平方向的撞擊動能通過轉換梁轉換為上部結構升高所需要的勢能，實現能量的轉換和吸收．需要說明的是，此種主要針對參賽模型的設計思路，雖然在工程實際應用中具有局限性，但對工程實踐仍具有借鑒作用，不失為一種創(chuàng)新．
本參賽模型及試驗裝置的鳥瞰圖見圖2．在前期的實驗過程中，為節(jié)省經費，本參賽隊實驗裝置的底座采用混凝土梁，滑道采用切開的不銹鋼管彎成，滑道支架采用？ 圖1能量轉換結構
結構膠固定于底座上的螺紋鋼筋制成，模型底座用10mm厚鋼板彎曲成型，結構膠粘結在混凝土梁上．參賽模型的鳥瞰圖見圖3．吊腳層柱采用箱形截面，其余梁柱采用空心截面．頂層樓板采用實心截面，二、三層樓板采用開洞截面，一層不設置樓板．能量轉換梁細部構造見圖4和圖5．為保證上部子結構的升高和水平撞擊力的傳遞，在上部子結構柱的下端設置導向滑槽，在下部空心柱截面的內側設置導向滑條，實驗表明，這些措施能有效地保證結構的傳力和上部子結構的升高。
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圖2 模型及試驗裝置鳥瞰圖？？？？？？？？？？？？？？ ？？？？？？？圖3 模型鳥瞰圖？？？？？ ？？？？？？？？？？？？？？？？？？圖4 能量轉換梁
3 參賽作品命名
參賽作品命名為“升”．書法漢字“升”字（圖6）形象而生動地表明了本參賽模型結構的能量轉換原理，升字上面的日字代表吊腳樓的上部結構-居住層，下面的兩豎代表吊腳樓的下部結構-吊腳樓的立柱，中間的一橫代表能量轉換梁，一橫向左移動，帶動下部升字左上角的一撇前移，頂起上部結構上升，完成能量轉換．？ ？？？
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圖5 能量轉換梁細部構造？？？？？？？？？？？？ 圖6 漢字“升”
4 模型制作、細部構造處理
（1）模型制作材料及特點</