全国结构设计大赛计算书完整版
第七届全国大学生结构设计竞赛计算书(一等奖)
第七届全国大学生结构设计竞赛计算书
2.2 结构选型
2.2.1 整体结构选型
在结构定型之前我们考虑了多种结构形式，并依次做出多种方案。
方案一： 我们设计了两榀平行的“W”形桁架，主要受压杆件为8mm×8mm 中 间带有“X”形支撑的矩形杆件；用交叉的拉条保持左右平衡，拉条用 0.35mm×4mm 的两层竹皮粘成；底面为150mm×100mm 的矩形。 如图2-1：
图 2-3
这种结构有以下特点： 优点：结构形式精简，重量轻，制作简单；主体桁架呈三角形，稳 定性好，承载荷载大；底面积小，易于快速行走，且不会出现以上方案 中因落地时倾斜而致使杆件受力偏差太大的情况。 缺点：静止站立必须靠两脚的配合。 “没有做不到，只有想不到”通过多次试验对比，我们发现，以前 不敢相信能站稳的方案三中的结构荷重比最大，行走速度也最快。因此 我们选择了方案三。并通过长期测试，对奔跑时所受的冲击荷载和摩擦 力等因素进行综合分析，对底面的位置稍加改变，发现在能保持静止平 衡的前提下适当前调底面的位置更利于奔跑。
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第七届全国大学生结构设计竞赛计算书
四、受力分析及计算
4.1 结构受力分析
根据结构特点，我们的结构承重杆件分布于踏板中部及后部木横梁 上。我队踩高跷队员 65kg ，安全系数为 f 1.2 ，考虑冲击系数 1.2 。 考虑人在前进过程中的重心随着双脚的前后交替，重心也随之前后移 动。因此，在整个绕标跑过程中，可偏安全的考虑三个工况：
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第七届全国大学生结构设计竞赛计算书
一、前言
正如插图所见，“踩高跷”是我国一项群众喜闻乐见、流行甚广的 传统民间活动。高跷分高跷、中跷和跑跷三种，最高者一丈多。高跷表 演者不但以长木缚于足行 走，还能跳跃和舞剑，形式 多样。传统高跷道具简单， 但木质的选料很讲究，必须 采用坚硬而有韧性的木质， 腐木不可用。将选好的木头 经过木匠加工成4-5尺长的木 棍，木棍上扁下圆，脚踏板 的设置，是根据高跷的高度 而定，一般在3尺以上装置。高跷的绑腿绳，一般是用布制成的，这样 的绑绳既能绑紧，又不勒腿脚。 “踩高跷”不但具有很高的健身价值，而且还具有很高的艺术价 值，对振兴民族精神和活跃、充实人民的文化生活都起着积极的作用。 这次结构设计竞赛是一个既有趣又富有挑战性的科技竞赛。高跷所 承受的荷载与高跷的结构形式和运动方式密切相关，这次比赛正是给我 们建立了一个理论贴近实际贴近生活的平台。通过运用所学知识自行设 计和制作竹高跷结构，可以提高我们的动手能力与思维能力，激发创新 和竞争意识，培养科学思维，加强团队协作。同时让我们更加加深对 “踩高跷”这一传统民间艺术的了解，更好的继承传统文化。 在赛前准备过程中，我们提高了自己的思考能力，加深了理论知识 的理解，而且还将与其他学校的参赛队员交流经验，使我们的眼界更加 开阔。这次比赛无疑使我们的大学生活更加充实更加有意义，将为我们 的人生画上精彩的一笔！
第五届全国大学生结构设计竞赛计算书概要
“龙麟杯”第十一届南京工业大学结构设计竞赛暨第五届全国大学生结构设计竞赛选拨赛设计计算书参赛队伍:菁竹之光作品名称:竹光永恒目录一.概述 --------------------------------- 1二.结构选型与建模 ------------------------- 1三.结构设计方案说明 ----------------------- 2四.结构几何与材料属性 --------------------- 5五.结构在静荷载和地震荷载作用下的计算 ----- 5(1恒载作用下内力和位移计算分析----------- 6(2恒载+地震作用下内力和位移计算分析------- 9一.概述此次竞赛模型规定为至少四层房屋结构模型,并且在模型顶部设有水箱。
模型要求总高度为100±0.5 cm,且至少具有四层结构,且每层净高不小于22cm。
模型底面尺寸不大于22cm ×22cm正方形平面,每层规定有效承载面积的范围和总承载面积。
其目的在于满足竞赛模型要求的情况下,应用空间结构力学的知识,设计出材料用量最少,同时能够满足足够的强度和刚度要求,并且能够抵抗模拟水平地震荷载的结构模型。
二.结构选型与建模考虑到结构需加载水平地震波,我们小组选择了框架结构。
因为框架结构空间分隔灵活,自重轻,有利于抗震,节省材料。
又框架结构侧向刚度较小,属柔性结构,在水平加速度的作用下,能够产生较大位移而不发生结构性的破坏,造成梁柱断裂或倒塌等后果。
结构模型效果图根据竞赛要求,加载方向通过抽签决定,所以模型外形采用了中心对称的方式,楼板均为正方形。
为了使重心尽量偏低,设计时在底层加载较多的铁块,并且顶层面积适当缩小。
结构立面图三.结构设计方案说明楼板设计说明:出于中心对称的设计,楼板采用了正方形的几何图形,每层楼板四周分别设置5mm×10mm的梁,嵌入方形柱内部。
因为铁块均匀分布,楼层中央将为压力重心,楼板下层受拉最大,故在楼层中间设置X型的梁,承载铁块分布的重量,并且铁块尽量沿四周分布。
结构设计大赛计算书
竹子公寓（第五组作品）（四川大学）一结构选型由于本次竞赛结构需承受地震作用，而框筒结构具有很好的减震效能的效果，并且加强了结构整体性，这在当今高层建筑结构体系中应用广泛。
考虑到本次竞赛加载评分中模型质量对结构得分很有影响，因此在保证结构稳定，满足承载要求的前提下，尽可能的节省材料给便显得尤为重要。
处于此考虑，我们摒弃了耗费材料的剪力墙结构，拟先采用通俗的框结构模拟指导。
二概念设计考虑到此次比赛用材料为竹皮，存在竖向纹理，材料各向异性。
且厚度最后只有0.5mm，因此无论圆柱或者方形柱均需耗费较大的胶水，并存在施工难度大的问题，因此我们想到柱子采用4-角钢的形式。
很好的利用材料的纹理，提高了柱子的竖向承载力。
本次比赛需在楼层上加上铁块，因此核心筒的设计需要尽量减少对板面积的影响，考虑连接的方便，以及结构整体的协调，采用核心柱，与角柱对应，加强整体结构性的同时，使得结构外观更加协调。
结构截面形式如下图：初步选型就常规的框筒结构而言，其结构的设计的基本出发点在于柱、梁以及斜撑的连接组合设计与核心筒设计，因此针对设计要求对结构进行预设，并模拟优化显得十分必要，我们经讨论准备先从梁柱的设计和斜撑的布置着手，对下面的方案利用midas进行模拟分析，对比优化后得出最后方案。
设计方案一：通过对本次荷载的初步估算，估计柱子的宽度先采用25mm*25mm的角钢柱，核心筒为圆形直径为20mm，壁厚5mm，柱子从基础顶面至地面为竖直，柱，核心筒均整体施工，以加强整体性，对抗震有利。
考虑到铁块加载以及顶部水箱，楼层高度设计为渐变式，从底层至上为280mm，250mm,240mm,230mm。
由于采用了角钢型柱子，梁柱的连接就大为方便，更简洁结实，因此采用材料较省，惯性矩较大很承受较大弯矩的T型梁，这样梁柱对接只需天然夹紧，涂以502速干胶便可。
斜撑采用Z字型，能加强柱与柱之间的连贯性。
通过midas模拟结构得出，核心筒的受力较小，柱子的承载能力能够很好的满足设计要求，存在材料的较大浪费，且圆形核心筒过大的占用了楼层面积，对铁块的布置影响很大。
第六届全国大学生结构设计竞赛计算书-山东大学
第六届全国大学生结构设计竞赛作品名称：xxxx参赛学校：山东大学参赛队员：xx(土木工程)xx(土木工程)xx(土木工程) 指导老师：xx理论分析计算书目录一前言 (3)二设计说明 (4)1 方案构思 (4)2结构选型 (5)3结构特色 (6)三设计方案 (8)1方案基本假定 (8)2 模型结构图 (9)3主要构件材料表 (10)四结构设计计算 (12)1有限元模型建立 (12)2 静力分析 (12)3 动力分析 (14)4结构计算总结 (17)5 承载能力估算 (17)五结束语 (18)六参考资料 (19)前言吊脚楼是中国西南地区的古老建筑，最原始的雏形是一种干栏式民居。
当人类的记忆尚处于模糊不清的原始时代的时候，有巢氏创造的吊脚楼就作为最古老的民居登上了历史舞台。
建筑是人类智慧的结晶，是凝固的音乐，是艺术的绽放。
毫无疑问，结构是建筑的根本。
重庆地区由于地形地貌特征的影响，出现泥石流、滑坡等地质灾害的频率较高，吊脚楼的结构设计则成为了重中之重。
第六届全国大学生高校结构设计竞赛是一个极富现实意义，挑战性的科技竞赛。
它旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神，提高学生的动手能力与思维能力，激发创新意识，培养科学思维，加强团队协作，提高动手能力，提升大学生的责任担当，更好地去思考建设的结构。
这次比赛无疑给我们建立了一个理论联系实际的平台，将理论知识用于与实际问题的解决之中，为社会问题建言献策。
通过本次比赛，我们不仅会锻炼我们自己的思考能力，加深入了对理论知识的理解，还会跟来自全国各地的学子交流我们对建筑结构的认识。
这将是我们学海生涯中难忘的一笔。
二设计说明本次结构设计竞赛以我国传统山地民居吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为题目。
根据题目的要求以及实际情况做简化和模拟，可得基本模型：一个四层吊脚楼框架结构模型，要能够承受一定的竖向静荷载和水平冲击荷载，竖向荷载由附加配重钢板实现，水平冲击荷载为用质量球模拟泥石流或滑坡，撞击吊脚楼模型一层楼面。
2020年全国大学生结构设计竞赛计算书
1结构建模及主要参数本结构采用MIDAS进行结构建模及分析。
1.1midas结构模型利用有限元分析软件midas建立了结构的分析模型，模型采用梁单元建立，如图1-1所示。
(a) 结构分析模型三维轴测图(b) 结构分析模型侧面图(c) 结构分析模型立面图(d) 结构分析模型平面图图1-1 模型图1.2结构分析中的主要参数在midas建模分析中，对主要参数进行了如下定义：（1）材料部分：竹皮的弹性模量设为6000N/mm2，抗拉强度设为60N/mm2；（2）几何信息部分：桁架杆件采用了矩形截面，截面尺寸有两种，第一种（高6mm，宽6mm，厚度1mm）；第二种（高12mm，宽6mm，厚度1mm）。
虚拟梁采用矩形截面截面，截面尺寸：高4mm，宽4mm。
（3）荷载工况部分：根据赛题规定，可能有4种荷载工况。
第一级荷载为GA1=90N、GA2=90N、GB1=90N、GB2=90N、GC1=90N、GC2=90N、GD1=90N、GD2=90N，第二级荷载为GA1=90N、GA2=0N、GB1=180N、GB2=90N、GC1=90N、GC2=90N、GD1=90N、GD2=90N，第三级荷载为GA1=90N、GA2=0N、GB1=0N、GB2=270N、GC1=90N、GC2=90N、GD1=90N、GD2=90N，第四级荷载为50N的移动荷载，并保持第三级荷载不变。
（4）结构支座部分：支座节点位置全部使用固结约束。
2受力分析2.1强度分析（1）第一级荷载在第一级荷载作用下，查看结构的梁单元内力图。
经分析，其应力情况如图2-1所示，可知：结构最大拉应力为17.59MPa，最大压应力为-20.01MPa，结构满足材料强度要求。
图2-1 第一级荷载下梁单元应力（2）第二级荷载在第二级荷载作用下，查看结构的梁单元内力图。
经分析，其应力情况如图2-2所示，可知：结构最大拉应力为20.18MPa，最大压应力为24.78MPa结构满足材料强度要求。
结构设计大赛059北京建筑工程学院计算书
第五届全国大学生结构设计竞赛计算书参赛学校：北京建筑工程学院参赛作品名：竹参赛队员：宋宇张蕊郜珊指导老师：祝磊一．结构选型根据对赛题的理解以及实践经验，初期选定模型形式为框架结构。
这种结构制作简单，自重轻，可以提供更多放置铁块的空间。
但是在模型的制作过程中我们发现这种柔性结构的侧向刚度过小，在地震作用下，结构顶端与底端产生水平相对位移较大。
经过修改，最终选定结构形式为带支撑框架，其通过弹性竹制楼板的变形协调与刚接框架共同工作形成双重抗侧力结构体系。
斜向支撑作为第一道防线，框架作为第二道防线，具有良好的抗震性能和更好的抗侧刚度。
由于加载时地震波的输入方向不确定，故结构平面选型时考虑将两个方向的刚度保持相同，即尽可能保持结构平面纵横方向对称。
此结构可等效视为一悬臂梁，可知应尽量增大柱间距，以使结构获得良好的抗弯性能。
而根据所学知识以及实际制作的经验，可靠的变截面柱计算起来过于繁复，实际制作中也不可能达到理论模型的效能，最后结构的支柱考虑采用管状等截面柱。
二．设计思路1.对于材料特性分析根据对两种主要材料的特性理解，并结合以往经验，将竹材所发挥的作用近似理解为钢筋，而502胶水凝固后可大大提高所依附材料的刚度，而两种材料结合时竹材为502胶水提供了空间发展的平台。
由于502胶强度远高于竹材，不考虑搭接处节点强度。
而对柱间对接，需考虑其连接强度。
因为实际情况过于复杂且没有必要建立理论模型，直接采用构造措施来保证其连接可靠性。
竹材与木材类似，是典型的平面正交异性材料。
据相关研究表明，此类材料的顺纹方向的抗拉强度较横纹方向大30%以上，而此次比赛所提供的竹皮的横纹抗拉强度则更是远小于其顺纹抗拉表现。
因此要充分利用其良好的顺纹的抗拉能力，避免使材料横纹方向受力过大，所以我们对于部分比较重要的楼板采用顺横搭配的组合截面形式，而单层楼板黏贴与其纹路方向垂直的竹条。
对于柱端的加劲构件的制作，为避免其受弯破坏，采取顺纹缠绕（竹皮纹路与筒长方向一致）的方法，如图1所示。
天津大学第五届全国结构设计大赛计算书
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这种大角度的可以充分提高结构的整体性，使得结构整体充分受力，进而提高结 构的刚度以及强度。在结构振动过程中，这种支撑的存在也在一定程度上可以让我们 有一定的控制结构自身频率的余地， 我们可以通过改变他的刚度来改善结构的自震频 率，为后面调频使用 TLD 减震做铺垫。 楼板是我们结构设计的一个创新点。我们考虑到楼板一旦发生较大的挠度的话， 会对结构整体的稳定性以及主梁和次梁的连接处造成很大的破坏， 同时大变形也会增 大我们理论软件分析去模拟这种情形的难度，所以，我们设计了如下图所示的组合楼 板来保证楼板的刚度：
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三、受荷分析
该结构的控制荷载为地震作用。故下面主要进行地震作用下的时程分析。 结构针对地震波的抗震计算，目前比较好的办法就是时程分析。时程分析法是世 纪 60 年代逐步发展起来的抗震分析方法。用以进行超高层建筑的抗震分析和工程抗 震研究等。至 80 年代，已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。 “时程分析法”是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时 间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法，也为国际通用的动力分析方 法。 “时程分析法”常作为计算高层或超高层的一种（补充计算）方法，也就是说满足 了规范要求的时候是可以不用它计算结构的。规范规定：对于特别不规则的建筑、甲 类建筑及超过一定高度的高层建筑，宜采用时程分析法进行补充计算。所以有较多设 计人员对应用时程分析法进行抗震设计感到生疏。近年来，随着高层建筑和复杂结构 的发展，时程分析在工程中的应用也越来越广泛了。 建模说明： 在 ansys 时程分析模拟时，我们采取了 beam188link8shell63mass21 这四类单元。 其中，beam188 主要用来模拟柱子和主梁以及次梁；link8 用来模拟支撑；shell63 用 来模拟筒体剪力墙；mass21 来近似模拟铁块荷载。 在建模时，我们简化了一些问题： 关于水箱：水箱可以起到减震的作用，但是考虑到时程分析若加入流体 80 单元 的话，整个计算文件较大，况且软件模拟本身就存在一定误差，因此，在软件模拟时， 暂时不考虑它的减震作用。从另一方面来说，这样分析出的结果是更加不利的，可以 起到一个安全系数的作用。当然，我们也做了真实的实验，这可以在一定程度弥补我 们在软件分析时的不足。 关于铁块荷载：我们在确定了铁块的分布模式之后，利用 mass21 单元来近似模 拟铁块荷载。为了提高我们模拟的精度，我们会在楼板设定四个质量点，使得 mass 分布较为接近真实荷载模式，不会采用一个质量点来模拟，这样的误差校对会减小。 关于剪力墙：我们结构主要的抗弯设计就是在剪力墙，因此，剪力墙的计算要求 精度较高。我们利用 shell63 来模拟，可以很精确的模拟出这种效果。 结果分析： 对于我们时程分析的结果，我主要提取了结构的位移时程曲线，最大应力时刻 （vonmises 应力分布云图）这两个结果，分别从刚度和强度两个角度来分析结构在地
全国结构设计大赛计算书完整版
全国大学生结构设计大赛计算书作品名称：参赛学校：参赛队员：专业名称：指导教师：全国大学生结构设计竞赛组委会目录第1 部分设计说明书 (2)1.1 结构选型 (2)1.2 特色说明 (3)第2 部分设计方案图 (4)2.1 结构总装配图 (4)2.2 构件详图 (5)2.3 节点详图 (6)2.4 方案效果 (7)2.5 铁块分布 (7)第3 部分设计计算书 (10)3.1 计算模型 (10)3.2 结构计算假定及材料特性 (10)3.2.1 计算假定 (10)3.2.3 构件截面尺寸 (11)3.2.4 材料力学性能 (11)3.3 结构动力分析 (12)3.3.1 计算模型建模 (12)3.3.2 模态分析 (12)3.3.3 时程分析 (14)3.4 结构极限承载力计算 (16)3.5 计算结论 (18)参考文献 (20)第 1 部分设计说明书··1.1 结构选型根据本次竞赛要求，该竹制结构模型需要经受三次不同强度大小的地震考验，分别以不发生破坏、不发生梁柱等主要构件破坏和不坍塌为评判标准，并不参考结构在地震效应作用下的侧移反应。
因此不必选用抗侧刚度较大的结构体系，从而达到节省材料、减小地震时地震力的作用；由于比赛规则限制，上层部分的平面内部竖向构件到底层时无法落地，造成竖向抗侧力构件不连续，因此不利于结构选用核心筒等抗侧力结构体系；综上，将该结构模型的结构形式定为框架结构。
由于模型加载时采用的铁块为长方体，且屋面水箱底部为正方形。
为方便加载，将模型的各层平面设计为正方形。
同时，为减小结构在地震作用下产生扭转作用，将竖向构件分别布置在四个角点，使其沿平面主轴对称。
各竖向构件底部间距均取规则所允许的最大间距，使结构的高宽比达到最小，最大程度减小了地震引起结构的倾覆作用。
按照结构在地震作用下的剪力与弯矩上小下大的基本分布规律，将模型的平面尺寸依次减小，使结构竖向刚度从上到下均匀增大，使模型外形更接近于弯矩的分布，使各杆件内力分布更合理。
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全国大学生结构设计大赛计算书作品名称：参赛学校：参赛队员：专业名称：指导教师：全国大学生结构设计竞赛组委会目录第1 部分设计说明书 (2)1.1 结构选型 (2)1.2 特色说明 (3)第2 部分设计方案图 (4)2.1 结构总装配图 (4)2.2 构件详图 (5)2.3 节点详图 (6)2.4 方案效果 (7)2.5 铁块分布 (7)第3 部分设计计算书 (10)3.1 计算模型 (10)3.2 结构计算假定及材料特性 (10)3.2.1 计算假定 (10)3.2.3 构件截面尺寸 (11)3.2.4 材料力学性能 (11)3.3 结构动力分析 (12)3.3.1 计算模型建模 (12)3.3.2 模态分析 (12)3.3.3 时程分析 (14)3.4 结构极限承载力计算 (16)3.5 计算结论 (18)参考文献 (20)第 1 部分设计说明书··1.1 结构选型根据本次竞赛要求，该竹制结构模型需要经受三次不同强度大小的地震考验，分别以不发生破坏、不发生梁柱等主要构件破坏和不坍塌为评判标准，并不参考结构在地震效应作用下的侧移反应。
因此不必选用抗侧刚度较大的结构体系，从而达到节省材料、减小地震时地震力的作用；由于比赛规则限制，上层部分的平面内部竖向构件到底层时无法落地，造成竖向抗侧力构件不连续，因此不利于结构选用核心筒等抗侧力结构体系；综上，将该结构模型的结构形式定为框架结构。
由于模型加载时采用的铁块为长方体，且屋面水箱底部为正方形。
为方便加载，将模型的各层平面设计为正方形。
同时，为减小结构在地震作用下产生扭转作用，将竖向构件分别布置在四个角点，使其沿平面主轴对称。
各竖向构件底部间距均取规则所允许的最大间距，使结构的高宽比达到最小，最大程度减小了地震引起结构的倾覆作用。
按照结构在地震作用下的剪力与弯矩上小下大的基本分布规律，将模型的平面尺寸依次减小，使结构竖向刚度从上到下均匀增大，使模型外形更接近于弯矩的分布，使各杆件内力分布更合理。
历经各种困难，我们最终完成了这座竹质多层房屋结构的设计和犹如承载着我们的热情和朝气，昭示着“在追求真理的路上，我们艰辛而愉悦，我们虔诚而专注，我们疲惫而执着”，更见证着我们所有为之付出辛勤汗水的老师和学生的深厚情谊，故将其唤作“筑梦塔”。
1.2 特色说明本模型设计的特色有以下五个方面：（1）构件加固设计加工精细合理构件加固设计采用宽为4mm的小圆环在柱子薄弱环节加固，犹如一个个戒指一样，牢牢环箍住柱子，加工细致，表面采用砂纸打磨，光滑质轻，在较小增加模型质量的基础上起到了很好的加固作用，同时使得柱子形状精细别致。
（2）空间框架结构体系简明采用空间框架结构体系，结构布置简明，荷载传递路径清晰，各杆件受力合理，充分利用了木材的力学性能。
（3）棱台形式对称美观采用棱台形式，结构形式对称美观，使斜柱的布置方向与其受力方向接近一致，有效地减小了构件上所受的弯矩及侧向变形，更好地满足了结构的抗震要求，另外，使结构在X、Y 轴两个方向抗震效果一样，避免的某一侧失稳。
（4）柱子内部局部加强处理在柱子内部插入长度1mm 的竹制圆管，底层间距 6mm，其它层间距 10mm，这样整个1m 长的柱子犹如还原回了天然竹竿的样子，既增强了柱子的承压能力，又尽可能的避免了柱子在抗震时发生局部失稳破坏。
（5）箱型梁内部加强处理在梁的中心镶入大小合适的竹片，保证的梁的承压能力和抗弯能力。
在梁与柱的节点连接处，梁端填充了相似的竹片，既增加了梁自身的强度，又整体提高了模型的刚度，能有效传递和分配结构上部传来的荷载，并且能较好限制结构位移，增强结构的空间整体性。
第 2 部分设计方案图2.1 结构总装配图图 1 方案透视图图图 3 方案侧视图2.2 构件详图梁的端部剪开 15mm图 4 柱子详图图 5 梁的详图2.3 节点详图图 5 顶层节点连接图图6 中间层节点连接图梁柱节点连接处，为了保证竖向构件的连续性和整体性，不对柱子进行剪切处理，而是将梁的端部沿折痕剪开，张开的竹片用 502 胶粘接在柱子上，然后用砂纸打磨，光滑连接，美观牢固。
图 7 柱脚处节点处理柱脚剪开 2cm ，但是为了防止柱脚沿见开出裂开，在柱脚底部镶 嵌 1c m 长的圆柱进行底部加强，然后粘接在地板上。
2.4 方案效果图 8 方案效果图2.5 铁块分布由于振动台面最大加载质量限制为 30kg，为使结构在地震作用下受力更为合理，将铁块质量从底层到上层依次减小，降低了结构的重心，减小了地震剪力。
铁块具体分布见图：图 9 大铁块示意图图 10 小铁块示意图（1）四层铁块分两层叠放，分布图如下：四层下四层上图 11 四层楼面铁块示意图四层铁块质量：1.8×2+0.675×4= 6.3kg四层有效面积：12×3.2×2+6×3.2=96 cm2（2）三层铁块分两层叠放，分布图如下：三层下三层上图 12 三层楼面加载示意图三层铁块质量：1.8×4+0.675×2=8.55kg 三层有效面积：12×6×3=216 cm2（3）二层铁块分两层叠放，分布图如下：二层下二层上图 13 二层楼面加载示意图二层铁块质量：1.8×5+0.675×4= 11.7kg二层有效面积：12×6×4+12×3.2+6×3.2=345.6cm2 综上，模型铁块质量合计：6.3+8.55+11.7=26.55kg，有效承载面积总和：96+216+345.6=657.6 cm2，满足比赛要求。
第 3 部分设计计算书3.1 计算模型图 14 模型计算简图梁柱节点为刚性连接，柱脚固定粘结在底板上，计算时可看为固端连接。
3.2 结构计算假定及材料特性3.2.1 计算假定（1）模型构件均采用比赛所提供的竹皮制作的闭口薄壁截面杆件，均有一定范围区域经过搭接粘结，计算时不考虑该部分影响，将构件作为等厚度闭口薄壁截面进行计算；（2）柱脚与底板连接处，采用加强措施进行连接，在约束平动的基础上一定程度限制了其自由转动，计算时按刚接考虑；（3）梁柱节点处采用，502 胶水进行粘接，几乎不可转动，在计算时按照刚接进行考虑；（4）各层楼面上的铁块简化为均布质量施加于楼板上；（5）屋面水箱在振动过程中，所盛液体可产生晃动效应，对于整体结构自振周期等动力特性会产生影响，比赛中规则限制最少盛水量约占总模型总质量的 1/10 左右，相对水的质量所占结构总质量比例较大。
参考尚春雨等《考虑水晃动作用时椭球形水塔的地震反应分析》一文中结论，“水体所占结构重量较多时，水的晃动作用对结构的地震反应影响较大，应考虑其对结构的有利作用”。
在结构模型计算时可将水箱中水的质量转化成楼面的均布荷载进行计算，这样可以简化计算并且保证计算结果偏于安全。
3.2.3 构件截面尺寸（1）竖向柱子：管状截面，直径为 12m m，壁厚为 0.35mm；（2）梁：箱型截面，截面 5mm×15mm，壁厚为 0.35mm；3.2.4 材料力学性能竹材是一种常用建筑材料，广泛应用于建筑行业的各个领域，其顺纹与逆纹性能差异较大，各向异性显著。
竹材力学性能参考值：弹性模量1.0×104M P a，抗拉强度 60M P a。
3.3 结构动力分析3.3.1 计算模型建模使用S A P2000 有限元分析软件建模，按实际尺寸赋予其截面属性。
材料按照大赛给定竹皮材性进行定义，弹性模量为 1.0×104M P a，泊松比按照木材进行定义为 0.3，由于模型自重很小，密度定义为 0，不考虑其温度膨胀系数。
3.3.2 模态分析为了解结构模型的基本性能，对模型进行了模态分析，使用特征向量法，提取了模型的前 9 阶振型。
由于地震为水平向施加，竖向地震响应几乎为零，故忽略UZ 方向的质量参与系数，具体值见下表。
表 1 模态分析由表 1 可知前两阶振型均为平动，第三阶略带扭转，造成此原因的主要问题是在结构外围缺少抗扭构件。
但由于比赛时施加单向加载，经试验证明，模型在地震作用下主要发生模型的平动响应，因此可着重考虑前两阶振型。
高阶振型中大部分以平动为主，故该模型设计合理。
前 9 阶振型图见图 15-图 18。
图 15 一阶振型 图 16 二阶振型 图 17 三阶振型图 18 四阶振型 图 19 五阶振型 图 20 六阶振型图 21 七阶振型 图 22 八阶振型 图 23 九阶振型3.3.3 时程分析由于比赛材料均选用竹制材料，材料的破坏形式均为脆性破坏，因此对结构只进行弹性的动力时程分析。
地震波输入按照大赛给定的三级汶川波进行计算，对动力作用下的位移值以及层间位移进行参考，判断其变形情况。
并且对第三级峰值加速度为 1.13g 的地震作用下，结构的最大第一主应力进行计算，对结构的安全性进行判定。
时程分析时采用线性直接积分方法计算，时间积分参数选用HH T 方法，将a l ph a设为 0，以便得到最高精度解答。
阻尼比按照2%进行计算，三级加载均按 200 步求解。
由于输入波函数的采样频率不同，因此计算时段大小也应有所区别。
第一级加载时，输入时段大小为0.2s，第二级加载时，输入时段大小为 0.16s，第三级加载时，输入时段大小为 0.132s。
输出三级地震作用下顶点位移，其时程曲线如下图所示：图 24 第一级地震作用下顶点位移图 25 第二级地震作用下顶点位移图 26 第三级地震作用下顶点位移查看历程动画以及查看计算变形图，三种工况下结构响应均未发生扭转变形，可见结构刚度在平面上分布合理。
第一级地震作用第二级地震作用第三级地震作用图 27 地震作用下变形位移图第一级地震作用下，顶点最大位移值为 28.93mm；第二级地震作用下，顶点最大位移值为 25.08mm；第二级地震作用下，顶点最大位移值为 34.32mm。
提取最大位移反应时各层位移如下表：最大层间位移角基本在7%左右，均发生在第三层间，底层层间位移角最小，大致在2%左右，主要是考虑了底层在地震作用下受剪力、弯矩、轴力作用较大，由于制作材料限制在加强其截面强度的同时增加了刚度。
其余层间位移角基本为5%左右，可见结构刚度沿纵向分布较为合理。
计算所得最大位移与实际试验时位移值基本相符。
3.4 结构极限承载力计算对第三级地震作用下验算结构的极限承载力，保证各构件在地震作用下不发成强度破坏。
由于模型中板采用 0.35mm厚竹皮制作，平面外刚度几乎为零，仅受拉力作用，对结构整体作用微弱，在整个加载过程主要将重力荷载传递到梁上，因此不对板进行极限承载力计算。
在第三级地震作用下结构的梁柱体系在时程分析中多值范围中的弯矩图、剪力图、轴力图如下：作品：“筑梦塔”理论设计方案图 28 弯矩图图 29 剪力图图 30 轴力图由图可见，底层柱脚的弯矩、剪力、轴力均为最大值，弯矩最大值为 2979N·mm，剪力最大值为 22.38N，轴力最大值为90N，构件处于复合受力状态。