大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽輸電塔模型設(shè)計(jì)與分析

蘇駿 楊碩 余佳力 李揚(yáng)

[摘 要] 論文以第十三屆全國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽湖北工業(yè)大學(xué)一等獎(jiǎng)作品為例，結(jié)合競(jìng)賽題目要求設(shè)計(jì)了山地輸電塔模型，運(yùn)用Midas和SAP2000進(jìn)行建模，并分析了桿件受力得到的軸力云圖，以此為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)際工程輸電塔的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

[關(guān)鍵詞] 輸電塔;模型設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽

[課題項(xiàng)目] 湖北省教育廳：基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與土木工程實(shí)踐教學(xué)體系融合研究（省2017310）

[作者簡介] 蘇 駿（1971—），男，安徽六安人，博士，教授，研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)理論與計(jì)算。

[中圖分類號(hào)] G640? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）37-0274-02? ? [收稿日期] 2020-01-15

引言

在土木工程高等教育中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽可以為土木相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生提供一個(gè)展現(xiàn)自我創(chuàng)造力的平臺(tái)，使其創(chuàng)新探索、實(shí)踐動(dòng)手等方面的能力得到充分的鍛煉和提升[1]。鑒于此，為將所學(xué)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)踐，提高大學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新意識(shí)，我校參加了競(jìng)賽題目為“山地輸電塔模型設(shè)計(jì)與制作”的2019年全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。[2]

一、結(jié)構(gòu)方案選型分析

（一）方案構(gòu)思

分析賽題后，選擇以實(shí)際輸電塔結(jié)構(gòu)為背景，參考其對(duì)設(shè)計(jì)此次競(jìng)賽輸電塔結(jié)構(gòu)模型的指導(dǎo)作用，總結(jié)出以下幾個(gè)難點(diǎn)：①分析承受不對(duì)稱豎向荷載時(shí)結(jié)構(gòu)承載力及變形性能;②分析承受豎向和變方向水平向荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的承載力;③控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減小所受應(yīng)力以及提高結(jié)構(gòu)的剛度之間做到合理平衡的方法。

（二）結(jié)構(gòu)選型

通過反復(fù)計(jì)算和加載試驗(yàn)，最終模型經(jīng)優(yōu)化后選定了帶長拉索的塔式結(jié)構(gòu)，0°、15°和30°模型相同（如圖1所示），為了避免45°工況時(shí)模型與加載裝置碰撞將高掛點(diǎn)向外水平偏移。模型采用等腰直角三角形截面（如圖2所示），由橫梁劃分的塔體層數(shù)由四層改為三層，之間用交叉拉帶相連，大大減少了構(gòu)件數(shù)量。但因此梁柱受力較大，尤其是在二級(jí)扭轉(zhuǎn)情況下大量的圈梁拉帶受力較大，此問題通過調(diào)整桿件截面和厚度得以解決。懸挑水平偏移45°以減小導(dǎo)線張力的水平分量，減小了扭矩以及傾覆力矩，并且僅保留下弦兩根桿件，上弦桿則用連接高掛點(diǎn)和低掛點(diǎn)的拉帶代替。將上弦拉桿改為拉帶使應(yīng)力集中，隨構(gòu)件受拉力因此加大但采用拉帶充分利用了竹材抗拉不抗壓的特性，并且減少了節(jié)點(diǎn)拼接的構(gòu)件降低了節(jié)點(diǎn)處理的難度。另外利用偏移的低掛點(diǎn)，設(shè)置兩條長拉索，連接于低掛點(diǎn)和塔底，以此抵抗二級(jí)的扭轉(zhuǎn)作用將低掛點(diǎn)所受拉力傳遞至柱腳避免塔身受力過大。但由于制作誤差長拉索很難在開始加載時(shí)立即發(fā)揮作用，所以要在一定程度上降低塔身剛度以使模型發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而使長拉索充分發(fā)揮作用。為了充分利用竹材的抗拉抗壓強(qiáng)度，主要在受壓側(cè)進(jìn)行加厚而不是在桿件四面同時(shí)加厚，尤其是對(duì)于塔體的柱子所受壓力從上到下逐漸遞增，每個(gè)面所貼片長度也加以區(qū)分，也通過在相同截面尺寸的桿件外部貼片加厚的方法避免了變截面桿件拼接不便連接破壞其整體性和穩(wěn)定性的問題。

（三）節(jié)點(diǎn)處理

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)受力較為復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的連接方式往往決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)模型的成敗[3]。除了根據(jù)節(jié)點(diǎn)需要裁剪構(gòu)件的長度和角度，還要在連接處加貼用兩張紋路垂直的竹片制作的節(jié)點(diǎn)板增加水平和豎直方向上的強(qiáng)度，在連接的空隙處填上竹屑以增加接觸面積，避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)脫落或破壞的問題。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

從工程實(shí)例出發(fā)，上述選型分別具有自己的優(yōu)勢(shì)。但從結(jié)構(gòu)模型制作的角度出發(fā)，需考慮盡量減少桿件制作量，充分發(fā)揮構(gòu)件工作性能，減少設(shè)計(jì)施工工作量。綜合對(duì)比不同結(jié)構(gòu)選型，在整個(gè)設(shè)計(jì)中，以“輕質(zhì)高強(qiáng)，實(shí)用美觀”作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，通過采用MIDAS以及SAP2000軟件進(jìn)行反復(fù)模擬計(jì)算，并經(jīng)初步實(shí)際加載試驗(yàn)，最終選定上述結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)制作。

（一）計(jì)算假定

在進(jìn)行建模分析之前，參考模型及竹材性能信息，對(duì)主要參數(shù)和桿件進(jìn)行了定義。①材料部分：竹皮的彈性模量設(shè)為6000 N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)為62N/mm2;鋼絞線的彈性模量設(shè)為206000 N/mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為345N/mm2。②構(gòu)件受力部分：假定交叉拉帶以及長短拉索部分僅受拉，受壓承載力為0，其余中空矩形桿件既能受拉也能受壓，節(jié)點(diǎn)均按剛結(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。模型與底板之間按固定約束假設(shè)，鋼索與承臺(tái)板按鉸支座假設(shè)。③構(gòu)件尺寸部分：由于開始設(shè)計(jì)時(shí)并無參考數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)按下表1中假設(shè)構(gòu)件尺寸信息。

（二）承載力計(jì)算

構(gòu)件在各級(jí)加載下所受的內(nèi)力中，以軸向力為主。經(jīng)過計(jì)算可以得出不同工況下主要受力構(gòu)件的最不利軸向應(yīng)力計(jì)算值，以此作為依據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)件的截面尺寸和使用的竹材厚度。首先根據(jù)加載試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)假定截面，計(jì)算后將所得應(yīng)力大小與材料強(qiáng)度加以比較后再重新調(diào)整桿件截面大小及厚度。根據(jù)Midas建模及理論分析可知：

1.為滿足三級(jí)加載設(shè)計(jì)的模型在承受一級(jí)荷載時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的極限承載力設(shè)計(jì)值，應(yīng)當(dāng)著重考慮二、三級(jí)荷載產(chǎn)生的扭矩和側(cè)向傾覆力產(chǎn)生的較大軸力。

3.因在設(shè)計(jì)時(shí)選用了交叉拉帶，還需要對(duì)竹條的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核，其在0°、15°、30°、45°時(shí)的最大拉力分別為180.0N、236.9KN、275.7KN、310.2KN，但在實(shí)際加載時(shí)交叉拉帶僅有一根受拉，所以主受拉方向可以選用截面尺寸為3.0mm×3.0mm的竹條，其余則可選用截面尺寸為2.0mm×2.0mm的竹條，連接高掛點(diǎn)和低掛點(diǎn)的竹條為了增大粘接面積則選用截面1.0mm×6.0mm。

4.由計(jì)算結(jié)果以及實(shí)際加載情況得桿件截面尺寸信息如下表3。

三、結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，是既有挑戰(zhàn)性又有趣味的科技競(jìng)賽，通過第十三屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的備賽和比賽階段，得到如下結(jié)論：①充分了解材料性能、合理設(shè)計(jì)選型是結(jié)構(gòu)安全可靠的前提。②借鑒實(shí)際工程實(shí)例、敢于嘗試探索、運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，可以提高參賽學(xué)生的思考寬度和深度，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。③理論計(jì)算結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，但還要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]王小平，邢凱峰，鄧林.基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的土木工程卓越工程師素質(zhì)培養(yǎng)研究[J].經(jīng)濟(jì)·管理·綜述，2019（12）：193-194.

[2]西安建筑科技大學(xué)競(jìng)賽組委會(huì).第十三屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題[J].西安建筑科技大學(xué)，2019.

[3]孔超，王明振，高霖，黃宜婧.大跨度空間結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作與分析[J].福建建筑，2019，255（09）：51-55.