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华东杯结构设计方案 姜腾 汤晓波 邓捷 根据不同的思路，我组设计了两个不同的结构方案，以下分别阐述这两个方案。 方案1 根据楼高、楼层面积、荷载等方面的要求，大体尺寸设计如下： 结构共4层，底层20mm*20mm,二层到顶层每层相同18mm*18mm,每层楼高150mm，二层到4层每层放质量块8块，顶层放2块。这样的设计满足赛题的各方面要求。 主体结构包括4根柱子，每层的4根梁（4层总共16根梁）。 4根柱子拟用厚1mm、宽3mm的有机玻璃做成箱型杆件，粘合以后柱子的横截面是4mm*4mm的方形，内部为2mm*2mm的孔洞，如图2。 16根梁在柱子之间的部分拟用厚1mm、宽4mm的有机玻璃做成另一种箱型杆件，粘合以后柱子的横截面是4mm*6mm的矩形，内部为2mm*4mm的孔洞，如图3；在柱子外部悬挑出来的那部分梁拟做成H型杆件，如图4。 辅助结构包括柱子之间的16根细杆件，结构外围的24根细杆件，底部连接底板和结构的4根细杆件。这些细杆件可以是细铁丝或磨细的有机玻璃杆，目的是能利用它们轻质，抗拉，能给结构足够变形余地的特点。 以下以结构外围的斜拉细杆件为例说明其工作机理，以及用不同材料制作的优缺点。 从图5可以看出，柱子变形后上部挠度大于下部挠度，从而对于外围的斜拉构件来说，一侧的构件张拉，对面一侧的构件收缩。这样的设计既允许结构的变形，又能抗倾覆；此外可以悬拉住主梁，提高梁承载荷载的能力。 如构件是细铁丝，则有张拉一侧可以起作用，收缩一侧不起作用，而且铁丝松紧程度在实际连接制作时不好控制，但是细铁丝在结点的连接上则比较有利，可以在结点上包裹住悬挑H型梁，维护梁的粘合；如构件是细玻璃杆，则两侧都可以起作用，且韧性可能会更好，但是在结点连接上没有铁丝合适。 楼面承载结构。图1中各楼面中间的横梁是为安放质量块而设计的，根据每层所放质量块的质量、数量及放置方式，二层到四层每层4根，如图7，其中横梁之间的交叉搭接方式图中没有细致表现出来，我们采取的办法是，将箱型或H型梁的下部有机玻璃片粘贴在与之交叉梁的下底面，中部粘贴住与之交叉梁的两侧面，上部不作粘贴连接，以提供平整的楼面安放质量块；顶层2根，如图8。 不同视角结构图 方案2 根据楼高、楼层面积、荷载等方面的要求，大体尺寸设计如下： 结构共4层，底层20mm*20mm,二层17.9mm*17.9mm,三层到顶层每层相同15.8mm*15.8mm,每层楼高150mm，二层放质量块8块，三、四层每层放质量块6块，顶层放2块。这样的设计满足赛题的各方面要求。 主体结构包括，4根从底板面角点到第三层楼面角点的斜柱，4根从第二层楼面到顶层楼面的直柱，每层的4根梁（4层总共16根梁）。 柱和梁的构造形式及尺寸与方案1类似，在此不再重述。 辅助结构包括斜柱之间的8根细长构件、直柱之间的16根细长构件，这些细长构件的材料与方案1相同，同样可以利用细铁丝或有机玻璃细杆，工作机理与优缺点也不再重述。 辅助结构还包括第二层楼面下的构件，我们在这里设计了两种结构形式，图9中的只是其中一种形式，以下分述。 第一种结构形式，如图10、11 图10、图11分别是俯视和仰视 第二层楼面的示意图。 第二层楼面下两根细铁丝相 互交叉，端点处分别连接4根斜柱， 而4根直柱的底端也分别与此细铁丝 相连接。 这样的设计有两个作用：1、在允 许上部结构摆动变形的基础上维持其 的稳定性；2、由于第二层楼 面承载相对比较多，楼面中 间梁弯曲变形后会抵在细铁 丝上，这样细铁丝就可帮助 楼面、直柱承受一部分的 重量。 第二种结构形式，如图12、13 图12、图13分别是俯视和仰视 第二层楼面的示意图。 第二层楼面下用有机玻璃制作两 个相互交叉的拱形结构，拱端点分别 与4根斜柱相连接，而4根直柱的下 部拉长至与拱相交，将其下底面与拱 面粘合在一起。 这样设计的大体作用与直接拉细 铁丝类似，但是有机玻璃拱可以给第 二层楼面以及直柱更好的承载支持； 此外，由于拱的弯曲变形性能好，它 可以给结构更好的弯曲 变形的空间，可以给结 构的摆动变形更多的韧 性。 楼面承载结构。各楼面中间的横梁是为安放质量块而设计的，与方案1中类似，在此不再重述。根据每层所放质量块的质量、数量及放置方式，二层4根横梁，三层到顶层每层2根。 不同视角结构图（以二层楼面下拱形结构为例） 图2 图3 图4 图1 柱 外围斜拉杆件 图5 图6 梁 图7 图8 图9 图10 图11 图12 图13