全國大學生結構設計競賽賽后總結和思考★

王 琪 陳 云* 姜寶石 李光范

(海南大學土木建筑工程學院，海南 海口 570228)

全國大學生結構設計競賽賽后總結和思考★

王 琪 陳 云* 姜寶石 李光范

(海南大學土木建筑工程學院，海南 海口 570228)

主要對參加第八屆全國大學生結構設計競賽模型的設計、制作和性能測試進行了賽后總結，闡述了在模型制作中有關結構抗震和減震功能的設計、結構剛度的合理分配以及構件的連接設計，通過對結構構件設計進行多次改造，使構件承載力不僅能夠滿足要求，還能具有一定的減震作用，從而達到質量輕、承重大、抗震強的設計目標。

結構設計，抗震，減震，節點連接

第八屆全國大學生結構設計競賽賽題是三重檐攢尖頂仿古樓閣模型制作與測試，賽題的大體結構框架都已經規定，雖然不能從模型主體結構的設計入手創新。但構件的設計完全可以有所創新，譬如梁與柱的連接設計，柱子和頂層之間的連接方式以及構件的截面設計。總體設計可以按“強剪弱彎，強柱弱梁，強節點弱構件”的要求來做，除此之外結構的抗震和減震設計都可以通過構件的構造設計來達到。另外，對于結構的剛度分配，應遵循“從下往上，逐級遞減”的原則。

1 賽題回顧與分析

1.1 模型要求

模型結構形式。大賽給定模型為三重檐攢尖頂仿古樓閣(見圖1)，模型現存實例可參見西安鐘樓。此次競賽模型如圖1所示，共有3層，1層，2層分別設有屋檐。1層～3層樓面標高(由底板上表面量至各樓層梁的上表面最高處)分別為0.24 m，0.42 m，0.60 m。該模型正是效仿了西安鐘樓古建筑的構造特色，以其高臺基、柱腳的平擺浮擱、梁柱節點的半剛性榫卯連接、柱架的生起和側腳、梁端的雀替、枓栱鋪作層以及“大屋蓋”等特殊的營造技術，使得古建筑木結構有著不同于現代鋼筋混凝土結構、砌體結構和鋼結構等建筑物的優良抗震性能。

1.2 比賽規則和評分標準

模型失效評判準則。模型在進行加載時，出現下列任一情形則判定為模型失效，不能繼續加載。同時將上一次加載級別視為該模型實際所通過的最高加載級別，并作為模型效率比計算的依據：1)模型中的任一構件出現斷裂或節點脫開。2)配重脫落(包括配重條一端沿長度1/3部分脫離其支撐構件而另一端懸掛于結構上情況)。3)第三級加載完畢：較加配重前，第1層屋檐的屋脊曲線段末端和檐口直線段中點沿鉛直方向下撓度超過10 mm。模型效率的計算如式(1)和式(2)所示：

(1)

設Emax為所有參賽模型中的最高效率參數，第i參賽組模型加載表現分Ki的計算公式如式(2)所示：

(2)

其中，α為抗震調整系數，通過第一級加載取0.5，通過第二級加載取0.75，通過第三級加載取1.0。第一級加載失效者，為0。以上A～D各項得分相加，分數最高者優勝。

1.3 對競賽評分規則的分析

此次結構設計競賽有三個加載階段，每一階段抗震系數分別為0.5，0.75，1.0。針對這一規則，我們分析得出：能否獲得獎項的決定因素在于模型質量的輕重。此次競賽作品中質量最輕的是上海交通大學的模型，其質量為47.6 g。雖然沒有全部通過地震模擬加載，但是最終獲得了一等獎。類似的，其他高校的模型質量也很輕，但均未通過全部加載，依然能得到獎項。我們此次競賽雖然順利通過了所有加載，但是質量太重，足有176 g。根據比賽評分標準，我們加載環節得分僅相當于一個88 g的模型通過一級加載的得分，而在各個高校的模型加載中，質量在80 g以內的作品大多數很容易通過一、二級加載。因此，大多數高校的質量都在80 g以內，采取的是“保三等獎，爭一等獎”的策略。

2 對結構設計的分析

2.1 結構柱子的剛度合理分配設計

對于一個需要滿足足夠抗震性能要求的建筑結構而言，剛度的分配顯得尤為重要。首先，底層柱子不宜過剛或過柔。理論上，下柔上剛式的結構有隔振的效果。由于底層柱子剛度小，其變形大，因此能消耗地震的能量，而底層以上各結構由于剛度大，結構變形小，故保持在彈性范圍內。但是，對于底層柱子剛度不足的模型結構，在地震模擬加載時會引起下柔上剛式結構的破壞。在此次結構設計競賽中，某高校因采用下柔上剛式的結構剛度設計導致在第一級地震加載時出現底層柱子的破壞。其原因就是忽略了底層柱子在承受水平方向荷載的同時，也要承擔起豎向荷載的作用。如果柱子在水平荷載作用下產生破壞，就不能承受豎向荷載，會導致整個結構將不安定，甚至壓壞。這種下柔上剛式結構失敗的原因就是忽略了柱子對于水平荷載及豎直荷載所引起的雙重作用。所以在設計結構各層柱子剛度分配的同時，既要考慮底層柱子的柔度，又要考慮其不會發生下柔上剛式的破壞。第2層和第3層柱子要做得相對柔一些。頂層的配重使得模型在加載時第3層結構會承受很大的慣性力，柔性支撐會起到很好的減震效果，會減小地震產生的晃動幅度，從而較好的保護結構構件。如圖2所示為上海交通大學參賽模型，其框架結構為柔性結構，其中一些柔性支撐在模擬地震加載中可以消耗地震能量，從而達到減震的效果。但總體而言，模型結構合理的剛度分配應遵循“從下往上，逐級遞減”的原則。

同時值得注意的是，由于底層柱子的長細比不宜過大，在滿足柱子剛度的同時，為了防止柱子因長細比過大而失穩，可以在柱子內部按一定距離加隔板，但是隔板不宜布置的過疏或過密，過疏則起不到很好的效果，過密則在加載過程中會引起隔板過密處柱子部分應力集中而導致其破壞。

2.2 構件的連接方法及其抗震設計

在結構抗震設計中，可以采取“以柔克剛，摩擦耗能”的設計理念來制作抗震構件。在梁和柱的連接上，可以采用類似古建筑的榫卯連接方式(如圖3所示)。榫卯的連接方式是介于鉸接和剛接之間的半剛性連接，它具有比剛接變形大而比鉸接變形小的特點。在模擬地震加載的過程中，梁柱的榫卯連接方式在水平反復荷載的作用下，榫卯節點由于榫和卯之間的滑移和限位轉動產生摩擦和擠壓變形，從而達到減震耗能的作用。對于懸臂構件，由于懸臂構件會承受較大的彎矩，導致其豎向位移過大，使節點發生破壞。為了防止這種情況發生，可以改變懸臂構件和柱子的連接方式，采用加腋的方式使懸臂構件和柱結合成一個整體的剛性連接，在靠近節點部位可增大懸臂構件的高寬比，增大截面慣性矩，從而可以有效改善構件豎向位移過大導致的節點破壞。

2.3 構件的截面設計

構件的截面設計也應按照“強節點，弱構件”的原則。構件的節點連接處易發生剪力破壞，節點處的連接有許多方法。例如，加腋或使用類似鋼結構中節點固結的連接方式等(如圖4所示)。

構件的截面設計有工字形、槽形、箱形、T形、L形、三角形、圓環形等。比如柱子構件可以采用箱形、三角形、圓環形和L形，梁的設計可以適當減弱，可做成工字形、T形或I形，甚至頂層的構件里梁可以不用。構件截面的設計可以按其工作性能的需要來合理設計，應遵循“強柱弱梁”的原則。

3 結語

模型的制作要充分考慮到模型在加載過程中可能出現的薄弱環節。首先，剛性結構的模型承重大，加載過程中變形小，但節點處易發生因應力集中導致的破壞，而且相對較重。而柔性結構的模型與之恰好相反，柔性結構在滿足承重的前提下，加載過程中變形大，可以消耗地震能量，達到減震的效果。所以合理的剛度分配是在模型的設計和制作中至關重要的一步。其次，對于這種仿古建筑而言，可以借鑒古建筑的方式。榫卯的連接方式是古建筑中十分常見的，榫卯連接方式可以通過摩擦耗能，并且可以發生限位轉動，這種連接方式十分有利于抗震。最后，構件的截面設計應充分考慮到其受力的特點，從而采取不同的截面設計方式。通過多次地震加載試驗，可以測試不同種截面設計的優劣。大體而言，構件的設計應遵循“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件”的設計原則來制作模型。在這次比賽中，雖然我們的模型沒有得獎，但順利通過了三級加載。由于沒有振動臺，無法進行模擬試驗，所以模型的制作偏向保守。我們制作的模型是剛性結構，所以在人工實驗過程中，只要發生節點破壞，就對節點的連接設計進行多次改進，使其能在加載中承受更大的慣性力。比賽加載的效果也充分展示了其節點的牢固性，并順利通過加載。然而，我們對構件的設計不合理，沒有有效地對結構進行減震設計，這也是我們模型的一大缺陷。圖5為我們的參賽模型。

這次參加競賽，讓我們受益匪淺。通過相互學習，我們學到了很多優秀作品的設計方法和形式。通過賽后分析，將一些優秀作品的設計方法總結下來。優秀的作品不僅在以上各方面設計中面面俱到，而且模型的設計也是千奇百怪，新穎獨特。結構設計不僅是對專業知識的運用，更是打開了土木人的眼界，讓我們去探索結構的奧秘，讓我們深深感受到結構設計對土木工程莘莘學子巨大的魅力。

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[2] 蘇 軍.中國木結構古建筑抗震性能的研究[D].西安：西安建筑科技大學,2008.

[3] 傅金華.日本抗震結構、隔震結構的設計方法[M].北京：中國建筑工業出版社,2011.

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[5] 葛鴻鵬,周 鵬,伍 凱,等.古建木結構榫卯節點減震作用研究[J].建筑結構,2010,40(sup):30-36.

Summary and reflection of national structure design contest for college students★

Wang Qi Chen Yun* Jiang Baoshi Li Guangfan

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HainanUniversity,Haikou570228,China)

This paper mainly summarizes experience for the design, production process, and mechanical properties of the fabricated model for the 8th national structure design contest for college students. In addition, the energy dissipation design of the structure, the reasonable distribution of structural stiffness, and the connecting methods of the components are also introduced. Through multiple improvements for structural design, it not only makes components bearing capacity meet demands, but also has certain shock absorption role, so as to achieve the design targets of light weight, large bearing and strong seismic resistance.

structural design, anti-seismic, shock absorption, components connecting

2015-05-22★:國家自然科學基金資助(項目編號：51408170)；國家科技支撐計劃課題(課題編號：2012BAJ13B02)；海南省自然科學基金資助(項目編號：514208)

陳 云(1980- )，男，博士，講師

1009-6825(2015)22-0221-02

G642.0

A