作品名称

巽 竹

获奖学生

朱文辉 （土木工程）、周 扬 （土木工程）、梅俊逸 （力学）

设计背景

    吊脚楼是中国南方特有的古老建筑形式，至今仍被苗族等广大西南少数民族人民广泛使用。吊脚楼大多依山而建，楼上住人，楼下架空，被现代建筑学家认为是最佳的生态建筑形式。
然而，近年来的工程实践和科学研究表明，依山而建的吊脚楼建筑往往易于遭受泥石流、滑坡等地质灾害而发生破坏。同时，我国是多山之国，受岩层断裂等地质构造的影响，许多山体陡峭，岩石结构不稳固，森林覆盖面积不多，遇到季风气候的暴雨天气，常发生严重的泥石流、滑坡等地质灾害。因此，应对提高吊脚楼建筑抵抗地质灾害的能力予以足够的重

视。

本次结构设计竞赛即以吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为背景，以质量球模拟泥石流或山体滑坡，取质量球不同的下落高度，分三级撞击加载一个四层吊脚楼框架结构模型的一层楼面。

设计思路

    在满足竞赛赛题要求的前提下，通过合理设计吊脚楼建筑的结构形式，实现较大的结构强度、刚度以及良好的抗冲击荷载性能。赛题要求结构的性能指标C（按式（1）计算）最大：
（1）
其中M为配重及自重的总质量，m为结构自重、a为后固定板所测加速度。且要求在第一级加载时任何构件不发生破坏；第二级加载结构梁柱构件及节点不发生破坏，第三级加载结构不发生倾覆。因此，设计过程中需在保证构件强度和结构刚度的前提下，同时兼顾加速度值。我们基于以下思路进行设计：

1）选择合理的结构体系
刚柔支撑并济的框架结构体系制作工艺简单、传力明确高效，具有较强的承重能力和抗侧能力。体系中的梁、柱、支撑等构件受力明确，结构分析简单，便于对结构布置和构件截面进行合理的优化，以进一步提高结构性能。
2）合理设置刚性支撑，有效抵抗结构的冲击荷载
在沿冲击方向的吊脚层框架柱平面内设置刚性柱间支撑，承担了部分冲击作用，有效降低了一层框架梁与框架柱所受的冲击荷载。在吊脚层设置刚性支撑可有效提高结构整体抗侧刚度，撞击接触时间变短，根据动量守恒原理，并对增大加速度值a有利，且可有效遏制结构顶部配重的扰动，减少P-D效应，防止结构倒塌。
3）合理设置柔性支撑以提高结构抗扭、抗侧刚度
由于纯框架是相对柔性的结构体系，承受冲击荷载时将产生较大的层间变形和扰动。由于结构顶层承受较大的竖向荷载，若不采取一定的位移控制措施，则无支撑的框架结构将很可能由于P-D效应而发生倒塌。因此，合理的布置支撑以提高结构刚度从而限制结构的层间位移是很有必要的。基于这种分析，我们考虑在施工工艺上进行合理优化：制作模型时，在无竖向荷载作用下自然粘结柔性支撑，使其在受竖向荷载后处于略微松弛的状态。这样在仅承受竖向荷载时柔性支撑不起作用；而在承受冲击荷载时，由于层间变形增大，柔性支撑绷紧，产生拉力，有效地增大结构刚度，限制结构层间位移的进一步发展，防止结构因发生整体扭转或侧移而倒塌。

结构方案

    整个结构具有四个楼层，一层楼面主要承受冲击荷载，二~四层楼面主要承受竖向荷载。楼层竖向荷载通过次梁传递到框架梁，再传递到框架柱。沿冲击方向的一层框架柱平面内设置刚性柱间支撑，大大增强了结构底层的刚度，以抵抗冲击荷载。结构楼层间外立面设置柔性支撑，以控制结构承受冲击荷载时的水平位移，有效提高了结构的整体性。
遵循框架结构的受力原则，根据强度及稳定性等要求，选取相对合理的构件截面形式及截面尺寸。从尽可能充分发挥材料性能的角度出发，框架柱采用箱形截面，以增大截面惯性矩，提高构件的承载能力，同时每隔一定距离设置加劲肋，以防止构件发生局部失稳；框架梁均采用箱形截面，以提高构件的抗扭能力；次梁采用T型截面和工字型截面；柔性支撑均采用矩形截面。采用的竹材并非各向同性材料，顺纹向模量大于横纹向模量，因此，在模型的制作中均使构件长度方向与木材顺纹向同向。总之，我们的设计理念是以尽量少的构件以及相应合理的构件截面，组建强度高、刚度好、抗冲击性能优良的吊脚楼结构。
结构的详细尺寸如图5所示，其满足建筑楼层面积、楼层净高等要求。

（a）侧视图	（b）前视图		（c）后视图
（d）第一层楼面俯视图		（e）第二~四层楼面俯视图
图5结构构件尺寸详图（单位：mm）