黃海林++李永貴++祝明橋

摘要：大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造精神、動手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識的重要平臺。文章提出概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析、模型制作是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽的三個重要方面，對比分析了目前國內(nèi)常用結(jié)構(gòu)分析軟件的特點(diǎn)，提出MIDAS是指導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化分析的一個很好工具。以湖南省大學(xué)生第四屆結(jié)構(gòu)競賽為背景，總結(jié)了MIDAS建模分析基本流程及其關(guān)鍵要點(diǎn)，供模型比選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽；MIDAS；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：G6424文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2016）03015604

土木工程專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。改革開放以來，隨著我國大規(guī)?；窘ㄔO(shè)的開展，對土木工程專業(yè)人才的需求迅速增長，開辦土木工程專業(yè)的高校已由最初的“建筑老八?！痹黾拥狡駷橹沟?62所學(xué)校，土木工程專業(yè)的師生人數(shù)在各個高校的工科專業(yè)中也達(dá)到了最多[1]。土木工程學(xué)科的規(guī)模建設(shè)滿足了我國對工程技術(shù)人才的需求，但在土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)過程中也暴露出諸多問題，如缺少創(chuàng)造性，動手實(shí)踐能力差，團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識欠缺。造成這些缺陷的原因是多方面的，但教育培養(yǎng)模式首先值得反思[2]。土木工程專業(yè)的學(xué)生是作為未來工程師來培養(yǎng)的，要使其能成為一名優(yōu)秀的工程師，社會責(zé)任和人文情懷的培養(yǎng)固然重要，但最重要的素質(zhì)應(yīng)該是創(chuàng)造精神、動手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。為了培養(yǎng)這些素質(zhì)，僅靠高校常規(guī)的教學(xué)環(huán)節(jié)是不夠的，組織開展大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是一個很好的補(bǔ)充培養(yǎng)平臺[3-4]。

一、 湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽

湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是在原省建設(shè)廳主辦的土木建筑類大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，現(xiàn)由湖南省教育廳、湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳聯(lián)合主辦，由湖南省建設(shè)人力資源協(xié)會和湖南省高校輪流承辦，是湖南省教育廳重點(diǎn)支持的學(xué)科競賽之一。從2012年到2015年，湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽已成功舉辦了四屆，其宗旨是：通過專業(yè)知識的綜合運(yùn)用，多方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動手實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，加強(qiáng)高校間的交流與合作，并推薦每屆的第1名參加全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽。從已舉辦的四屆來看，規(guī)模是越來越大，特別是通過網(wǎng)絡(luò)媒體的宣傳展示，其影響力在湖南省各個高校土木工程學(xué)子中更加深入人心。各屆競賽概況見表1。高規(guī)格、高層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為培養(yǎng)國家創(chuàng)新型人才起到了推動和促進(jìn)作用。對于參賽者來說，結(jié)構(gòu)競賽是一項(xiàng)高難度的創(chuàng)造性工作，無論獲獎與否，學(xué)子們都能從挑戰(zhàn)中領(lǐng)悟到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的真諦，受益終生。

二、 結(jié)構(gòu)分析軟件

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中有三個方面的工作非常關(guān)鍵：概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析、模型制作。這三個方面相互聯(lián)系，各有側(cè)重。從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析宜采用簡化的手算為主，但由于競賽的殘酷性，決定比賽名次的結(jié)構(gòu)重量或位移往往以克或毫米來計(jì)算，這就使參賽者不得不借助高層次的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。目前我國國內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)分析軟件有ANSYS、SAP2000、MIDAS等。從土木工程的發(fā)展趨勢來看，結(jié)構(gòu)規(guī)模越龐大，所面臨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題越復(fù)雜，計(jì)算機(jī)輔助分析在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越成熟、普遍。土木工程的學(xué)生除了要掌握常用的設(shè)計(jì)軟件（如PKPM、盈建科），深入學(xué)習(xí)幾種有限元分析軟件，將對今后從事工程設(shè)計(jì)和研究工作大有裨益。

上文提到的ANSYS、SAP2000、MIDAS這三種軟件都由前、后處理模塊以及分析計(jì)算模塊組成，核心部分均為分析計(jì)算模塊。ANSYS軟件由美國ANSYS公司研制，可求解結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場、碰撞問題，功能強(qiáng)大，單元庫豐富，應(yīng)用面非常廣泛，但并非專門針對結(jié)構(gòu)專業(yè)，初學(xué)者不易掌握，用其來做結(jié)構(gòu)競賽的優(yōu)化分析顯得大材小用[5]。SAP2000程序是由Edwards Wilson創(chuàng)始的SAP系列程序發(fā)展而來的，主要適用于模型比較復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑、大壩、海洋平臺、發(fā)電站、輸電塔等，是被廣泛使用的結(jié)構(gòu)分析軟件之一[6]。SAP2000圖形界面的各種功能菜單并不直接顯示，有些功能菜單隱藏較深，需要一定的使用經(jīng)驗(yàn)才能靈活應(yīng)用，所以本科生上手也會慢一些。MIDAS Family Program由韓國開發(fā)，中文版由北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開發(fā)，其軟件包中的MIDAS/CIVIL、MIDAS/Gen是主打軟件，界面比較人性化，相對容易上手[7]。其中MIDAS/CIVIL是土木工程結(jié)構(gòu)專用分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，除其他荷載選項(xiàng)外還有移動荷載選型，特別適合于橋梁結(jié)構(gòu)的分析。MIDAS/Gen是通用結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，適合于一般性的空間結(jié)構(gòu)分析，簡單易學(xué)。MIDAS/CIVIL和MIDAS/Gen的單元類型基本相同，操作思路也基本相同。對比分析目前國內(nèi)常用結(jié)構(gòu)分析軟件的特點(diǎn)，MIDAS是指導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化分析的一個很好工具。

三、 MIDAS建模分析基本流程及關(guān)鍵要點(diǎn)

采用軟件進(jìn)行比賽模型的結(jié)構(gòu)分析，最大的優(yōu)勢就是分析效率高，建一個模型，可以通過改變截面尺寸參數(shù)或增減基本構(gòu)件而得到同類型結(jié)構(gòu)體系的一系列分析結(jié)果，特別適合比選優(yōu)化設(shè)計(jì)。但必須強(qiáng)調(diào)的是，千萬不能將全部希望寄托在軟件的結(jié)構(gòu)分析上。大量競賽結(jié)果表明：只要有好的概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)選型巧妙，同時又重視模型的構(gòu)造制作問題，即使只通過手算分析也可以取得好的成績。與此相反，若不注重概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)選型不合理，不重視模型的構(gòu)造制作問題，即使采用軟件分析也難以取得理想成績。除此之外，還要注意的是，由于軟件提供的單元、構(gòu)件截面和支座約束類型有限，要建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)及加載完全吻合的模型不切實(shí)際，此時結(jié)構(gòu)簡化、構(gòu)件截面及加載等效處理顯得尤為重要。下面以2015年第四屆湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽作品為例，介紹MIDAS/Gen在結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中的應(yīng)用。

（一）競賽作品及其背景介紹

第四屆競賽要求按比賽規(guī)程制作一個三層竹質(zhì)房屋結(jié)構(gòu)模型。豎向加載，除底層外，二、三層樓面和屋面豎向荷載每層均為2個10 kg砝碼；水平加載，采用吊掛加載，加載點(diǎn)設(shè)定在屋面，通過鋼絲繩和滑輪連接，下掛鋼結(jié)構(gòu)托盤，以施加150 kg水平側(cè)拉力。要注意的是這個水平側(cè)拉力不通過結(jié)構(gòu)的扭心，所以結(jié)構(gòu)模型最終要受到豎向砝碼、水平側(cè)拉力以及扭矩的作用，如何評估這三個荷載對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用效應(yīng)是模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)評分按計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖10分，結(jié)構(gòu)選型與制作質(zhì)量10分，加載試驗(yàn)80分計(jì)算，以總分高低排名次。賽題已在網(wǎng)上公布。

關(guān)于框架結(jié)構(gòu)的復(fù)合受力設(shè)計(jì)，最重要的是做好概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型，其次才是數(shù)值計(jì)算，也就是說概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型是數(shù)值計(jì)算的前提。本次競賽最大的亮點(diǎn)在于考察學(xué)生對復(fù)合受力情況下結(jié)構(gòu)豎向承載力、結(jié)構(gòu)抗側(cè)移和抗扭轉(zhuǎn)能力的認(rèn)識深度。為了獲得較好的競賽成績，在能施加豎向砝碼的前提下，追求最輕的結(jié)構(gòu)、最大的結(jié)構(gòu)抗側(cè)移和抗扭轉(zhuǎn)能力是正確的方向。為此本校競賽模型選用帶懸挑平臺的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，通過增設(shè)懸挑平臺來滿足比賽規(guī)程對水平投影的要求，以及用來堆積砝碼，采用下大上小、逐漸收攏的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)來承受水平側(cè)拉力和扭矩。三維模型如圖1、圖2所示。

（二） MIDAS建模分析基本流程及其關(guān)鍵要點(diǎn)

（1）網(wǎng)格建模。直接用MIDAS/Gen網(wǎng)格建模，也可采用AutoCAD畫好結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)線圖后，將其文件選存為DXF文件并導(dǎo)入MIDAS/Gen。本校競賽作品三維觀察線圖及實(shí)體圖分別見圖1、圖2。

（2）定義材料和截面特性。竹材按勻質(zhì)各向同性考慮，彈性模量取1×104 N/mm2，抗拉強(qiáng)度取60 N/mm2，容重取9.3×10-6 N/mm3。構(gòu)件截面庫若無實(shí)際模型所需截面，根據(jù)等效原則對實(shí)際構(gòu)件截面進(jìn)行等效。

（3）建立構(gòu)件單元。實(shí)際結(jié)構(gòu)桿件之間主要采用膠結(jié)連接方式。為簡化計(jì)算，采用梁單元模擬所有構(gòu)件，假定所有構(gòu)件之間剛接。

（4）定義邊界條件。實(shí)際模型柱腳采用壓條將兩根基礎(chǔ)大梁的懸挑段嵌固約束，為此建模時將兩根基礎(chǔ)大梁的懸挑端面所有節(jié)點(diǎn)嵌固。

（5）荷載定義與輸入。二、三層砝碼堆放在懸挑平臺上，建模時將砝碼重量簡化為線荷載施加在懸挑平臺的兩根懸臂梁上。屋面砝碼重量簡化為集中荷載，均勻施加在四根角柱上。

（6）結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析可由MIDAS/Gen自動完成，操作相對較簡單。

（7）靜力分析成果。作為結(jié)構(gòu)競賽常用到的靜力分析成果有反力、位移、內(nèi)力、應(yīng)力分析結(jié)果圖表以及輸出文本結(jié)果。限于篇幅，這里僅舉本校競賽模型中的支撐桿件應(yīng)力分析圖來說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的意義所在。各個框架面支撐桿件的軸向應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示，綠色為壓桿，黃色為拉桿。通過圖3能清楚知道各個框架面支撐桿件的拉、壓受力情況，供模型制作參考。其中，圖3（c）、（e）所揭示的支撐桿件拉、壓桿受力規(guī)律，主要由扭矩控制，對于這一點(diǎn)學(xué)生在模型制作中很容易發(fā)現(xiàn)。問題在于要弄清楚承受側(cè)拉力與扭矩的左右兩個框架大面支撐桿件受力規(guī)律，對于學(xué)生來說難度較大，下面結(jié)合圖3（b）、（d）進(jìn)行闡述。左視面支撐桿件拉、壓桿受力都很大，因?yàn)樗絺?cè)拉力與扭矩在支撐中產(chǎn)生的拉、壓屬性是重合的。右視面支撐桿件拉、壓桿受力非常小，因?yàn)樗絺?cè)拉力與扭矩在支撐中產(chǎn)生的拉、壓屬性完全相反，彼此相互抵消，對比扭矩引起的支撐桿件應(yīng)力，水平側(cè)拉力引起的作用效應(yīng)明顯更大。此時，軟件分析結(jié)果對模型左右兩個框架大面拉、壓桿屬性的確定和桿件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了非常關(guān)鍵的作用。

在以上模型的有限元分析中，并未涉及任何絕對位移、應(yīng)力或其他響應(yīng)的具體數(shù)值，因?yàn)橛邢拊M主要用來進(jìn)行模型定性分析，要想進(jìn)行定量的精確模擬是比較困難的，也不現(xiàn)實(shí)?？梢姡邢拊治鲈诮Y(jié)構(gòu)大賽中的重要作用，但是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)還是后期的模型制作。

四、 結(jié)語

通過對比分析目前國內(nèi)常用結(jié)構(gòu)分析軟件的特點(diǎn)，MIDAS是指導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化分析的工具。以第四屆湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為背景，以我校參賽作品為例，總結(jié)了MIDAS建模分析基本流程及其關(guān)鍵要點(diǎn)，供模型比選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

圖3競賽作品結(jié)構(gòu)模型軸向應(yīng)力分析圖參考文獻(xiàn)：

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Abstract： College student structural design competition is an important platform to train students creativity and handing ability， as well as team cooperation consciousness. Conceptual design， optimization analysis and model making are the three important aspects in college student structural design competition. Optimization analysis is the key to get good competition results. The characteristics of the structure analysis software widely used at home and abroad are comparatively analyzed. Results show that MIDAS is the ideal structure analysis software for optimization analysis in college student structural design competition. Basic processes and key points in MIDAS simulating analysis are presented for reference in model comparing and structural optimization analysis.

Keywords： civil engineering； structural design competition； MIDAS； structural optimization

（編輯周沫）