結構模型設計制作與分析

陳吉光

摘 要：大學生結構設計大賽可以提高大學生的工程實踐能力和創新能力，同時，也增強了大學生團隊合作能力。本文以2015年吉林省大學生結構設計的賽題“傳承-山地橋梁結構設計及手工裝配制作”為例。從賽題簡介、結構選型、結構布置、結構模型數值模擬及模型分析等過程進行簡述。

關鍵詞：結構模型；模型設計；制作與分析

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

大學生結構設計競賽的宗旨是：培養大學生的創新意識、合作精神，提高大學生的創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質，加強高校間的交流與合作。2005年在浙江大學舉行第一屆全國大學生結構設計大賽，2015年在昆明理工大學舉行第九屆全國大學生結構設計大賽。為迎接2015年“第九屆全國大學生結構設計競賽”，吉林省舉辦第六屆吉林省大學生結構設計競賽，暨全國選拔賽。

一、賽題簡介

總體模型由給定的山體模型、制作的橋梁模型和作為底座連接用的承臺板三部分組成（如圖1、圖2所示）。給定的山體模型有虎口、隧洞和棱臺山體模型。承臺板的標高為±0.00m，虎口山體虎口底面的標高為﹢0.14m，隧洞山體洞口底面的標高為﹢0.30m，棱臺山體山頂平面的標高為﹢0.20m。橋梁模型由A、B兩段橋依山而成。A、B橋段結構的所有構件及節點均采用給定竹材與502膠水手工制作完成。A、B橋段結構橋面板制作時要求滿鋪，不允許有空隙。B橋段在給定位置設有減速帶。連接用承臺板主要用來承托給定的山體模型和制作的橋梁模型，模型與承臺用自攻螺釘通過連接件連接，承臺板采用生態實木板制作。承臺板上設有一條具有一定寬度的模擬河流流經A、B橋段，為便于通航，河流內不允許設置橋墩。

二、結構選型

對于這次的設計，我們分別考慮了斜拉橋、拱橋、桁架橋和梁式橋的設計方案。斜拉橋可以看作是大跨徑的公路橋，且對柱塔剛度有較高的要求，所以斜拉橋對材料的要求比較高，對于用厚竹皮做柱來講，既增加橋梁重量又費材料；拱橋最大主應力沿拱橋曲面而作用，而沿拱橋垂直方向最小主應力為零，可以很好的控制橋梁豎直方向的位移，但選擇拱橋需要提供的強大端部錨固，且提供水平力，顯然也不是一個好的選擇；桁架橋具有比較好的剛度，腹桿即可承拉亦可承壓，但對柱的承載能力有很高的要求，因此，我們也放棄了制作桁架橋的想法；而梁式橋有較好的承載彎矩的能力，也可以較好的控制使用中的變形，橋梁具有足夠的穩定性，所以，相比之下我們最后選擇了梁式橋。

三、結構布置

圖3為本次參賽的結構總體圖。A段橋（圖4）是連接虎口與隧洞，B段橋（圖5）是連接隧洞和棱臺。橋面寬度為120mm。在主體結構方面，橋梁主體結構采用5片T型主梁，T型主梁橫向采用錯位橫隔梁（圖6）進行連接，以保證橋梁的整體穩定性。同時，橫隔梁采用凹形，以節約材料和減輕重量。A段和B段橋墩采用獨柱墩，為了保證柱的穩定性，在柱墩表面用箍纏繞。根據A、B段虎口、隧洞和棱臺標高不同。A橋段弧長為1465mm，A橋段中的直橋段長為73.2mm。B橋段與棱臺和隧洞搭接處的弧長分別為378mm和200mm，B橋段中的直橋段長為84.4mm。A橋段共設置4根柱，B橋段共設置2根柱。

四、結構受力模擬

數值模型的建立：

此結構為T型梁結構，涉及桿件較多，通過手工計算難以獲得準確的計算結果。因此，我們采用結構分析軟件ANSYS建立計算模型，在建立計算模型的過程中做了一些分析假定。在假定的基礎上，采用ANSYS建立跨河處的計算模型，如圖7所示。

數值模擬分析：

橋梁跨河處為最大跨處，對該段橋進行彎矩、剪力、應力和位移進行分析（如圖8～圖11所示），分析表明：柱子在承受較大壓力時會發生失穩破壞和彎曲破壞，節點處會因承受較大彎矩而發生破壞。為防止結構發生上述破壞，在制作時可以采取如下措施：（1）在節點處粘接竹片粘接板，不僅起到連接構件的作用，還能起到一定的抗壓作用。（2）基于橋面各處標高不同和橋面內外標高不同，在梁柱節點處，盡量把梁柱節點放置靠外，同時，把墩柱的接口處放在橋的內側。由數值仿真和實際加載可以看出：梁跨中處彎矩大，應加強T型梁的梁高；橋梁轉彎處，由于動荷載作用在橋梁結構上的位置隨機性很大，容易發生橋梁傾覆。

結語

隨著土木工程專業的本科生教學水平的不斷提高，對實踐環節要求越來越高，結構設計大賽難度也是逐年增高。以本文的竹橋為例，橋梁上車載的隨意性及偶然性，要求在設計時，要有相應的安全冗余度，對參賽選手提出了更高的要求。結構設計大賽能全面考察學生知識綜合應用能力和動手實踐能力及創新能力。

參考文獻

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