結構設計競賽的備賽過程及教學效果
——以拱形竹質結構模型設計分析與制作為例

韓愛紅 程遠兵 肖嘉辰 陳記豪 楊清華

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

0 引言

河南省第九屆大學生結構設計競賽以大跨度空間結構為背景，通過方案設計、分析計算、模型制作、現(xiàn)場答辯和加載試驗等系列過程，以達到培養(yǎng)大學生的實踐能力、創(chuàng)新精神和團隊意識，為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供一個很好的平臺[1]。本文從結構選型、荷載傳遞分析和結構模型設計、細部構造和模型制作等備賽的各個方面進行了系統(tǒng)闡述，為結構模型設計提供參考。

1 結構選型

在滿足承載力前提下，盡量減輕模型的重量，結構選型時，需要遵從以下原則[2-4]：

（1）主要受力構件或子結構布置在加載點處，以達到傳力直接、傳力途徑短的目的。

（2）節(jié)點連接牢固，做到強節(jié)點強錨固。

（3）桿件截面受力均勻，剛度易于控制，由于有沖擊荷載和撞擊動荷載，因此模型的剛度應有一個合適的值，不易剛度太大，從而避免硬碰硬導致結構損傷。

（4）穩(wěn)定性好。采用了柔性拉條來控制主要節(jié)點的位移，提升結構的整體穩(wěn)定性。

（5）模型簡潔，便于制作。

結合結構選型原則，考慮到結構模型材料性能和結構荷載的特點，初步選擇了四榀橫向剛架和縱梁的模型方案（見圖1），模型重量200 g左右。為降低模型重量，把四榀橫向剛架優(yōu)化為兩榀橫向剛架，減少了桿件數(shù)量，極大地降低了模型重量，最終模型重量125 g左右，有效地提高了結構承受荷載與模型重量的比值（荷重比），實現(xiàn)了結構模型承載能力高、剛度合適、質量輕的目標，優(yōu)化后的結構模型如圖2所示。

圖1 最初模型（實體圖）

2 荷載傳遞分析和結構模型設計

2.1 結構模型設計

結構模型整體由縱向主桁架，兩榀橫向主剛架，獨立柱和拉條等四部分組成，模型的俯視圖。

2.1.1 縱向主桁架

縱向主桁架在一級荷載工況下為單跨兩端外伸梁，一級荷載加載點分別作用于跨中及兩端外挑部分。二級荷載時，縱向主桁架起到緩沖和向遠端傳力的作用，同時維持結構整體穩(wěn)定。三級荷載時，縱向主桁架可承擔部分結構整體扭矩。

圖2 最終模型（實體圖）

2.1.2 橫向主剛架

此橫向主剛架為兩榀，分別由6 mm×10 mm的主剛架拉區(qū)和8 mm×12 mm的主剛架的壓區(qū)斜腿半剛架組成，下部通過拉條來限制剛架節(jié)點的相對變形。此橫向主剛架位于三級荷載的作用面內，主要抵抗三級荷載；在一級二級荷載時，支承縱向主桁架，并將荷載傳遞給底板。

2.1.3 獨立柱

在端部鋼板的下掛點處設置，共四個，獨立于主體結構，主要抵抗二級荷載。

2.1.4 拉條

根據(jù)變形控制需要設置的拉條。

2.2 細部構造

（1）構件均設內波紋肋的矩形空心截面，以獲得較高的承載力和局部穩(wěn)定性。構件節(jié)點均采用局部貼片加強連接，以提高節(jié)點剛性。

（2）一級荷載加載點采用竹皮吊環(huán)懸掛，同時能起到二級、三級荷載時的搖擺減震緩沖作用。

（3）二級和三級荷載的沖力較大，在主桁架二級荷載加載點和三級荷載加載點處設置緩沖圈。

（4）獨立柱柱頂滑槽、緩沖圈和蒙皮結構。獨立柱在二級加載時產(chǎn)生的剪力非常大，因此在獨立柱外側貼一層竹皮板（蒙皮板），起到耗能和提升側向剛度的作用。

2.3 模型制作

模型制作過程中，需要特別注意以下幾個方面：

（1）竹皮材料的基本性能介紹和外觀檢查，選擇好的桿件原材料是最基礎的，切忌選擇竹節(jié)多的竹皮，一般采用0.5 mm厚的竹皮做受力構件，0.35mm厚的竹皮做拉條，0.2 mm厚的竹皮做構件的外部環(huán)繞加強比較合適。

（2）竹皮的裁剪和打磨，拉條的制作。

（3）直桿竹皮構件制作方法（內部加橫向墊片、縱向墊片、波紋片），制作完成后外部可以環(huán)箍加強或者螺旋箍加強。

（4）斜桿竹皮構件制作方法（斜角的處理：一種是直桿切角打磨；一種是竹皮切角后拼裝打磨），制作完成后外部可以環(huán)箍加強或者螺旋箍加強。

（5）各種耗能構件的制作（吊環(huán)，緩沖圈，蒙皮板）。

（6）桿件的拼裝，僅僅通過502膠粘一般不能保證節(jié)點的黏結強度，建議：局部粘貼竹皮加強或局部用磨細竹粉加強。

（7）模型底板安裝，該模型的撞擊力很大，務必保證模型與底板的黏結，本模型采用增大接觸面來保障。

（8）繩扣的綁法，本次競賽，棉線繩扣可以減緩三級荷載的沖擊，采用雙股繩扣和內外繩扣相結合，非常有效。

（9）注意加載時的小技巧，比如：一級鋼球加載的順序易對稱；二級鋼板盡量前傾；三級剪斷線繩順序等等，都值得實踐和摸索。

3 結語

本次競賽對學生掌握所學理論知識和訓練交流協(xié)作能力有很大的幫助，能夠充分調動學生們的主觀能動性，做到了寓教于樂。結構設計競賽可與結構力學等課程考核相結合，改變以前單一、枯燥的考核形式，真正實現(xiàn)“以賽帶教，以賽促學”的目的，使學生靈活運用專業(yè)知識，提高學生的創(chuàng)新意識、動手能力、團隊協(xié)作及交流能力。