姜 影, 李華東, 2

(1. 四川師范大學(xué)工學(xué)院， 四川成都 610101; 2. 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 四川成都 610101)

四川省結(jié)構(gòu)競(jìng)賽組委會(huì)開(kāi)創(chuàng)大賽目的是調(diào)動(dòng)大學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、橋梁工程等基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用，彌補(bǔ)土木工程類大學(xué)生缺少創(chuàng)造性，動(dòng)手能力弱，團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)欠缺等短板[12]。早期有馬宏亮、劉曉紅等人對(duì)模型設(shè)計(jì)中選型的研究[13]，劉承斌、張海生等競(jìng)賽材料性能試驗(yàn)[14-15]，周克民等對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析[16]，也有顧凌赟、徐龍軍、楊燈等對(duì)全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題研究與探索[17-19]。針對(duì)四川省結(jié)構(gòu)大賽近五屆賽題研究卻沒(méi)人開(kāi)展。四川省結(jié)構(gòu)競(jìng)賽，對(duì)培養(yǎng)西南高校學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、綜合科技能力和工程實(shí)踐能力等方面發(fā)揮著重要作用[20]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽簡(jiǎn)介

1994年，清華大學(xué)土木系開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的先河，至今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽已遍及全國(guó)各省市，乃至全亞洲級(jí)別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，成為高校土木類學(xué)生的一項(xiàng)重要課外活動(dòng)[1-2]。

2014年第一屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽：大跨空間結(jié)構(gòu)模型制作與沖擊荷載測(cè)試；2015年第二屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽：塔吊模型制作與承重測(cè)試；2016年第三屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽：大跨度空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型；2017年第四屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽：無(wú)風(fēng)撐桁架橋梁；2018年第五屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽：巨型框架模型。

2 四川省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽歷年賽題對(duì)比

2.1 五屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽相同點(diǎn)

(1)競(jìng)賽背景：四川省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的命題一般源于生活，依據(jù)四川區(qū)域特點(diǎn)，日常出現(xiàn)的不安全事件而測(cè)定該屆競(jìng)賽主題，運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，滿足相應(yīng)的承載力要求，盡量使結(jié)構(gòu)輕巧高效。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的開(kāi)展以及我國(guó)土木類本科生教學(xué)水平的提高，為培養(yǎng)學(xué)生研究性、自主性、創(chuàng)新性，題目難度越來(lái)越具挑戰(zhàn)性，要求學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)能力也要不斷提高[3]。

(2)賽題總說(shuō)明：都會(huì)采用示意圖形式呈現(xiàn)，包括加載裝置、模型安裝平臺(tái)(尺寸限制等)、測(cè)量工具(精度要求)、實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)等。

(3)模型材料與制作工具：相同。

(4)安裝加答辯。

2.2 五屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽不同點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)形式：有四屆明確在賽題詳解中規(guī)定了結(jié)構(gòu)形式(桁架結(jié)構(gòu))，而第二屆是制作塔吊模型，它屬于拉、壓、扭聯(lián)合作用的構(gòu)件，所以沒(méi)做明確說(shuō)明其結(jié)構(gòu)形式。

(2)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：都是100分制，但分值劃分占比不同；分值比重大的都劃分給加載表現(xiàn)上，但每屆賽事計(jì)算公式都偏向于在滿足承載力要求范圍內(nèi)，模型質(zhì)量越輕，整個(gè)計(jì)算得出分值越高。

(3)計(jì)算書(shū)。

3 材料特性

竹皮(參考值：彈性模量1.0 ×104MPa，抗拉強(qiáng)度60 MPa)，極限荷載與試件寬度關(guān)系。

多層復(fù)合的竹皮材料，不均勻性較為嚴(yán)重，使用時(shí)盡量挑選竹節(jié)相對(duì)較少，材質(zhì)較均勻的。在寬度和長(zhǎng)度等同條件下，竹皮實(shí)驗(yàn)試件的極限承載力隨寬度的增加而增大，呈線性相關(guān)[4]。0.35 mm厚度試件增長(zhǎng)趨勢(shì)較穩(wěn)定，承載力具有較強(qiáng)的上升空間，而0.2 mm和0.5 mm厚度試件寬度增加到5 mm以上之后，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯放緩，承載力上升空間不佳。且0.35 mm竹皮的節(jié)點(diǎn)缺陷相對(duì)較少，最適合制作拉索構(gòu)件[5]。

極限承載力隨著厚度增加而增大，其增長(zhǎng)幅度呈上升趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)對(duì)常海林等人提出的受拉構(gòu)件極限承載能力Pu與構(gòu)件寬度D的關(guān)系擬合公式(表1)進(jìn)行驗(yàn)證，可供后期參賽人員構(gòu)件寬度設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)選型[6]決定了整個(gè)設(shè)計(jì)大賽勝負(fù)，好的結(jié)構(gòu)形式擁有先天性的優(yōu)勢(shì)。在早期的初步選型之后需進(jìn)一步優(yōu)化，此時(shí)要進(jìn)行理論計(jì)算，可用結(jié)構(gòu)和力學(xué)知識(shí)手算，也可用輔助計(jì)算軟件(Midas、Ansys)等進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真[7]。Ansys存在圖形界面操作復(fù)雜，模型檢查不方便，命令流語(yǔ)句冗長(zhǎng)，出錯(cuò)后不易找出命令語(yǔ)句錯(cuò)誤的地方。Midas用戶界面友善，操作直觀。總的講Midas采用荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體比Ansys計(jì)算結(jié)果大[8-9]，但即學(xué)即用，更適合本科生學(xué)習(xí)。

表1 竹皮材料極限承載力與試件寬度關(guān)系

5 模型制作

5.1 截面選擇

在競(jìng)賽模型設(shè)計(jì)中，截面選擇和截面尺寸直接影響薄壁桿件的力學(xué)性能，圖1為最常見(jiàn)最基本的薄壁截面形式。

圖1 薄壁截面形式

假定上部受拉、下部受壓，截面選擇一般規(guī)律如下：

5.2 節(jié)點(diǎn)處理

節(jié)點(diǎn)連接方法分三類：(1)既美觀又輕便的方式，桿件自身處理形成節(jié)點(diǎn)，但手工要求高且制作難度大；(2)通過(guò)嵌入或連接件連接，較美觀，但桿件連接處應(yīng)力集中存在較大的接觸應(yīng)力；(3)直接打磨桿件致粗糙，膠水直接連接后，外側(cè)采用小蒙皮包裹，美觀度較差，但受力性能滿足要求。

6 比賽開(kāi)題時(shí)間建議

對(duì)于每屆四川省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽而言，各高校組織學(xué)生開(kāi)題時(shí)間建議為正式參賽前三個(gè)月。第一月：組織校內(nèi)大學(xué)生積極參與，做好前期招攬賢才的宣傳活動(dòng)，且安排負(fù)責(zé)人和指導(dǎo)教師，準(zhǔn)備學(xué)校預(yù)賽實(shí)驗(yàn)器材和材料選取與采購(gòu)；第二月：校內(nèi)小組自我研究與模型結(jié)構(gòu)摸索；第三月：校內(nèi)比拼，最優(yōu)隊(duì)伍前期再實(shí)驗(yàn)與小組參賽推薦人的確定，確認(rèn)最終參賽模型，制定計(jì)算書(shū)等工作。

7 結(jié)論

對(duì)四川省五屆結(jié)構(gòu)大賽賽題進(jìn)行對(duì)比，提出相同點(diǎn)和不同點(diǎn)；對(duì)比賽材料特性進(jìn)行分析，選擇使用尺寸最優(yōu)化得推薦參考；有限元分析軟件對(duì)于大學(xué)生和比賽性質(zhì)就事而論的優(yōu)缺點(diǎn)，明確結(jié)構(gòu)選型和截面分析，更易精確截面選擇；提出高校賽題開(kāi)題時(shí)間規(guī)劃和建議為后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽做參考。