結構模型設計之我見

彭永陳艷

1、中南大學土木建筑學院 長沙 410075; 2、中南大學資源與安全學院 長沙 410000

結構模型設計之我見

彭永1陳艷2

1、中南大學土木建筑學院 長沙 410075; 2、中南大學資源與安全學院 長沙 410000

主要闡述了結構模型設計的主要三個步驟，指明結構模型設計的主要注意事項。

結構模型設計大賽面向土木建筑類大學本科學生，是一項將課堂理論與實際工程緊密結合的競賽，目前全國性大學生結構設計競賽已被教育部列為大學生9項科技競賽之一，它旨在通過學生對所學知識的綜合運用，以提高同學的動手能力與思維能力，突出創新精神，加強隊員間的合作與交流，豐富同學的課余生活，是一項極富科學性、創造性與挑戰性的學科競賽。為貫徹實施土木建筑類大學生創新訓練計劃，培養大學生創新意識、實踐能力，提高土木工程專業教學質量，全國各大高校紛紛舉辦各級別的結構模型設計大賽。

結構模型設計大賽主要分為三步：理論分析；模型制作；模型加載。下面我以湖南省第四屆土木建筑類大學生結構模型創作競賽為例，簡要介紹結構模型設計的過程。

1 理論分析

結構模型設計的最佳狀態是在用料最少的情況下，承重最大。但這兩點不能兼得。所以要通過理論分析來確定模型的形式。事實上，理論計算包括的范圍很廣，材料的性質分析、構思結構形式、內力分析、穩定性分析、變形分析、方案優化比選等幾個方面。做好理論計算要統籌兼顧做好每一個面，才能科學合理的做好結構模型設計。湖南省第四屆土木建筑類大學生結構模型創作競賽的材料有木條、木板、蠟線、502膠。首先了解材料的主要力學性質，比如彈性模量，抗拉強度，抗壓強度等。對可能的荷載情況進行分析，根據已有的橋梁模型，構思幾種結構形式。計算出在荷載作用下各結構形式是否滿足強度、穩定性、變形的要求。反復多次計算。根據評分標準，分析比較得到最佳的結構形式。當然計算主要是通過計算機來實現，一般可用結構力學求解器來計算，結構力學求解器使用簡單，幾乎不需要學就能用。水平高的可用ansys等有限元軟件來實現。

2 模型制作

模型制作是整個結構模型設計的關鍵。如果沒有完美的制作工藝，再好的理論分析也是紙上談兵。湖南省第四屆土木建筑類大學生結構模型創作競賽與以往不同，主要的承重材料由紙制的改為了木材，所以各構件的制作很容易，直接用502膠粘合即可。但模型制作中的節點處理極為困難。因為各種力匯總到節點，有時節點處的受力還很大，尤其是，受拉構件經常會在節點處脫落。所以節點制作一定要重點關注、仔細實施。節點制作大致有兩種方法。方法一是用兩塊木板夾住節點，用打孔機鉆孔，插入木條做的銷釘（如圖一所示）。方法二是不打孔，直接用502膠粘合。兩種方法各有利弊。方法一制作工藝復雜，需要時間長，還需要買鉆孔機，但方法一承重大，一般不會因節點破壞而使模型破壞。方法二制作工藝簡單，用時短，但加載時可能會因為節點破壞而導致整個模型倒塌。制作是需根據荷載的大小、制作允許的時間、502膠質量的好壞來選擇用何種方法來處理節點。

圖一 節點處理

3 模型加載

模型加載的環節常常被參賽者忽略。但模型加載成績的好壞直接影響到整個比賽的結果，加載成績在總成績中所占得比重是最大的，所以我們對加載一定要予以足夠的重視，注意細節，細節決定一切。

湖南省第四屆土木建筑類大學生結構模型創作競賽的模型加載分為靜荷載與動荷載兩部分。我們把加載工作簡單地分為幾個步驟：

3.1 加載前準備階段

1、根據理論計算以及結構的具體的情況擬定加載方案，由于模型的承載能力與荷載的作用時間有直接關系。加載所經過的時間越長，模型越容易破壞。加載方案可能會影響最終的比賽成績，所以應該合理確定加載方案。2、熟悉加載過程，避免正式加載手忙腳亂

3.2 加載期間的注意事項

1、加砝碼時要輕拿輕放，弱小的參賽者最好不要參與加載；2)、安裝加載裝置時應留出盡量多的空間來放砝碼，以免出現無處放砝碼，模型“有力使不出”的情況。3)、注意觀察在加載之前各個對手的加載成績，臨場制定自己的加載目標，以達到預期的名次。

[1]朱江南，解建超.淺談結構模型設計[J].現代科技.2009(9)

[2]徐萌.在結構模型大賽中錘煉大學生的綜合能力.山西建筑.2010(26)

[3]金偉良.2005年第一屆全國大學生結構設計競賽作品選編[M].北京：中國建筑工業出版社.2006

TU318.2

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.057

4 結語

彭永，男，中南大學土木建筑學院，土木工程專業，主要從事固體力學的研究。

結構模型；節點處理；施工工藝

我國大學生結構設計大賽至今已16個年頭，積累了很多經驗，受到了越來越多高校的關注，也吸引了眾多學生的參與，結構模型設計理論與制作工藝也逐漸在走向成熟。結構模型設計將向程序化、模式化方向發展。