廣西第六屆大學生結構設計競賽經(jīng)驗總結

孫凌云　張啟初

【摘 要】本文以廣西第六屆大學生結構設計競賽獲獎作品為例。從隊員組成、賽題分析、結構計算軟件sap2000模擬、模型制作、心得體會五個方面總結了參加結構設計競賽的經(jīng)驗，得出大學生結構競設計賽對土建類學生在工程結構實踐能力以及視野開拓方面有莫大的幫助，引領大學生開拓創(chuàng)新結構形式。

【關鍵詞】結構設計競賽；多層建筑結構；模型制作；SAP2000分析；結構創(chuàng)新

由廣西建設教育協(xié)會主辦，南寧學院承辦的廣西第六屆大學生結構設計競賽于2015.12.15-18日在南寧學院體育館舉行，歷時四天，共有23所廣西高校的46支隊伍參加。結構設計競賽賽題為“多層建筑結構模型設計”。筆者有幸代表桂林理工大學博文管理學院參加了此次結構設計競賽。最終，經(jīng)過激烈角逐，我校派出的兩支隊伍不負眾望，參賽作品“云天展覽館”獲得“一等獎”，另一隊作品“金字塔”獲得“二等獎”。我校獲得“優(yōu)秀組織獎”，2位指導老師獲得“優(yōu)秀指導老師”稱號。作為一名參賽隊員，在收獲喜悅的同時，也將模型制作、加載過程中總結的經(jīng)驗寫出來，供各位參考，與兄弟院校共同切磋。

1 隊員組成

一個學校要將結構設計競賽發(fā)展強大和傳承下去，最好有2到3個不變的指導老師，每年負責指導，指導老師必須對材料性能以及比賽賽題制勝關鍵點了如指掌。

本人認為一個較為完美的隊伍成員由兩男一女或者三男組成，女生不宜超過2名。將女生列為一個成員主要是女生較為細心，男生看不到的細節(jié)將由女生來完成，成員沒有女生的必須有一個較為細心的男生。參賽隊員最好選用不同年級的學生，采用二帶一，即兩個高年級學生帶一個低年級學生。只要參加過一次區(qū)賽的同學就會對模型的制作與構思產生質的飛躍。保留一個低年級的目的就是為了給下一屆比賽打基礎。

合理分配每名成員的任務，一隊長二成員。必須將三人分配在最拿手的位置。想在規(guī)定時間內快速制作好模型必須爭分奪秒不浪費任何時間。比賽所提供的桌子的面積不一定能夠容下三個人裁紙，所以只需要兩個裁紙，在這個過程中應該先將短小的，一個人能卷成桿件的紙裁出來的，由不裁紙的隊友來卷起這些短桿。裁紙完成后將停下來卷短桿，這個時候先將長桿和必要的桿件卷起。

2 賽題分析

每一屆區(qū)賽的題目都不一樣，參賽者必須要對賽題非常熟悉！能夠把賽題里面所有的內容背下來只算是對賽題有所認識。能從賽題里找出關鍵得分點才算是熟悉賽題。最好按1、2、3的順序把賽題要求列出，并將注意點標出來，一目了然。如本屆賽題荷載性質為豎向荷載和水平荷載。豎向荷載加載位置要考慮對結構、對水平荷載加載有利。多層建筑要求縱橫向跨數(shù)不能少于兩跨，有的參賽隊伍沒有注意到這一點，非常遺憾。

另外一方面要注意的問題是：往往比其他選手略勝一籌之處就是賽題中的薄弱點，也可以說是賽題的“缺陷不足和漏洞”，只要賽題沒有再次補充這些薄弱點都是可以采用這些薄弱點進行模型改進。一般在這種情況下制作出來的模型是更輕巧更穩(wěn)定。因為沒有真正違規(guī)，只是制作的模型趨向于違規(guī)，評委會是沒有理由說明你模型違規(guī)的。這就跟建筑在滿足使用條件的情況下，配筋取最小值是同一個道理，這種情況下使用的材料最少，花費將大大減少。如本屆賽題只規(guī)定了支座尺寸，沒有規(guī)定每層建筑的外圍尺寸，就可以縮小尺寸減輕自重，還可以縮小上層尺寸，提高荷重比。總之，把比賽當作游戲，要遵循并合理地利用游戲規(guī)則。

3 計算機模擬

對結構體系進行整體概念構思和設計，對確定的方案利用結構計算軟件SAP2000建立模型，對模型進行施加荷載和優(yōu)化。本次比賽豎向加載方式是在結構各加載層處放置砝碼。豎向和水平撓度均不得超過2厘米、模型損壞、砝碼滑出掉地等均算加載失敗。在SAP2000軟件建模分析時采用頂層和底層施加節(jié)點荷載模擬豎向荷載，加載要仔細閱讀規(guī)則，預計一切可能出現(xiàn)的不利因素。為了消除計算機模擬與實際產生的誤差，在該節(jié)點施加1.1倍砝碼產生的重力。模型通過豎向荷載加載后，需要進行水平荷載測試。在SAP2000分析時采用節(jié)點施加水平力模擬水平荷載，為了消除計算機模擬與實際產生的誤差，在該節(jié)點施加1.1倍砝碼產生的水平力。

4 模型制作

模型確定好以后進入下一階段：結構模型制作。要熟悉材料性能，用到的材料主要有白卡紙、白乳膠。

4.1 白卡紙屬性

白卡紙由三層紙膜組成。光滑面受拉性能最強，中間層最差。可以采用剝離紙來減輕結構重量，根據(jù)不同需要可將白卡紙分成三層，或者兩層來制作桿件，光滑面用來加固節(jié)點。白卡紙厚度約為0.3毫米，為各向異性材料，力學性能為：順紋極限拉應力22.2MPa，順紋極限壓應力為7.0MPa。

2 白乳膠

要注意白乳膠的濃度，太稀，內含水分太多，凝固時間長；太稠，粘結不牢，都不可取。對于紙質模型，一般采用較稀的乳膠，尤其是卷桿使用的乳膠應盡量稀薄，這樣既可以保證涂抹的均勻性，又能減輕結構自重。對于木材，建議使用較為濃稠的乳膠。

4.3 桿件

考慮到材料性能、賽題要求、實際情況中不同截面的受力性能、制作工藝等，我們采用圓管截面的桿件。圓管截面的極軸分布均勻，受力性能好。

一個模型由大量的桿件相互連接而成。在施加荷載時每個桿件受力情況都不一樣。模型設計時盡量把拉桿設計得較多，其次就是壓桿，盡可能的避免受剪、受扭兩種不利情況，因為受壓容易失穩(wěn)，材料的抗剪、抗扭的能力不如受拉好。然后由受力大小選取直徑最為合適的圓鋼來卷桿，一般選取直徑不大于10mm，紙桿層數(shù)不多于2層。

圓鋼分為實心圓鋼和空心鋼管。卷桿選用實心圓鋼，一般只有主要受力桿件會選用直徑為10mm、8mm、6mm的圓鋼作為卷桿工具，特殊受力桿除外。次要桿件采用直徑為4mm、3mm、2mm的圓鋼作為卷桿工具，特殊純拉桿可采用1mm圓鋼。圓鋼的準備數(shù)量可能比所需卷的桿件數(shù)量多，目的是保證在紙桿沒干，圓鋼不能拔出來時，有用圓鋼繼續(xù)卷桿。空心鋼管較為輕質，一般在不拔出鋼管，紙桿搭接模型時用到。

主要受壓桿件盡可能采用8mm和6mm的桿件，根據(jù)受力情況不同，卷的層數(shù)不一樣，不宜超過3層。白卡紙較硬可用濕抹布稍稍抹濕，抹濕后較為柔軟，此時卷好桿件，桿件保持在實心圓鋼內不拔出，這時將用濕抹布蘸取已經(jīng)稀釋好的白乳膠在白卡紙外表面均勻快速抹上一層，用吹風機吹干后再次在外表面再抹一層膠水再次吹干，在整個桿件沒有完全干之前實心圓鋼不可以拔出，防止桿件沒有完全干而產生較大的彎曲。通過這種工序制作出來的桿件受壓性能非常好，桿件整體剛度高。受拉桿件采用直徑一般不大于6mm，純拉桿可采用2mm、3mm，采用白卡紙光滑層來制作，多層。在同等極限拉應力作用下只用光滑層制作出來的桿件自重遠遠小于其他制作方式，只在接口處涂膠水其余均不加膠水，防止桿件產生脆性。

4.4 節(jié)點處理

提高結構設計模型的承載能力，要綜合考慮各方面因素。整體概念設計是關鍵，節(jié)點處理要給以特別重視，用精湛的工藝制作出合格的構件[1]。

根據(jù)桿件的受力情況不同對節(jié)點采用不同的連接方式進行連接。大部分受力較小的桿件采用圖2連接方式粘接好膠水干后在外表面再次抹上膠水。

受力較大的拉壓桿件采用內接涂膠再外包加固的方式連接如圖3。采用紙皮層包扎，紙皮層數(shù)看節(jié)點受力大小選取，節(jié)點處應力過大時可以在節(jié)點桿件內部塞紙片以防止局部失穩(wěn)。

搭接最大的問題就是角度問題。要想快速準確的搭接好每個角度，需要一個較為精細的模板，模板主要是確定角度與位置問題。根據(jù)自身需要自己制作模板，模板數(shù)量可以超過2個，保證在膠水干之前有模板繼續(xù)搭接模型。搭接好之后必須對每個節(jié)點進行檢查，重新處理節(jié)點。為了避免部分桿件過于集中受力，整個模型拼接完成，膠水基本干后對接地桿件底部用砂紙刷平保證整個桿件底部全部接地。

4.5 傳力方式

最好的傳力方式是直接通過柱子傳到底部，不需要經(jīng)過任何梁傳遞給柱子。白卡紙做成的桿件軸向承載力高，抗彎抗剪抗扭性能非常差。若存在大量或者受力較大的剪力、彎矩的桿件，必須重新審視自己的模型該如何改進，按照結構的受力特點來布置結構體系，好鋼要用在刀刃上，保證荷載能快速傳到地面，這樣做成的梁與斜桿只要提高整體剛度與穩(wěn)定性就可以了，此時梁與斜桿受力將大大減小。對于水平力必須由斜桿直接傳遞到地面，不經(jīng)過柱子傳。這樣可以大大減小柱子的彎矩。制作任何一個模型主要還是設計出一個傳力好的結構。保證最簡潔快速的傳給地面。圖4為做好的模型正在豎向加載，滿載，即所提供的砝碼全部放置在上面。圖5對結構模型進行水平加載，水平荷載測試方法為保持豎向荷載狀態(tài)下指定在卸扣區(qū)域的節(jié)點施加水平荷載，一級加載成功，方可進入下一級加載。加載成功是指模型在每一級荷載作用下，10秒過后，其結構的變形和承載力仍能滿足要求。

5 心得體會

從校內選拔賽到廣西區(qū)比賽歷時兩個月，在此期間我們用了大量時間對結構進行設計與改進。模型制作完成后，對模型施加荷載，施加荷載過程中我們還錄制了視頻，回放過程中抓取每一次首個破壞點，從受力分析和制作工藝方面不斷改進模型。所制作的結構模型設計能真實的模擬實體，通過模擬實體能直接表現(xiàn)出使用功能，施加荷載充分體現(xiàn)出承載能力。

參加廣西第六屆結構設計竟賽，我感到很充實很快樂，代表學校參加比賽，是我最大的榮譽。獲取獎杯就是我們的目標，努力做到最好就是我們前進的動力。要將結構模型制作的更加完美必須將：結構、手工、組織能力、分析能力、交流能力、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，細心，耐心等集于一身。通過比賽，不僅可以認識到很多新朋友，而且還提供有利機會，與其他院校學生相互交流和學習。競賽過程中學到了許多知識 ，見識了眾多學生的獨特創(chuàng)意。

結構模型設計競賽為大學生提供了一個展示自己結構設計能力的平臺。同時能有效的培養(yǎng)和增強自身的計算分析能力、動手實踐能力、團隊合作能力和逆境處理能力。結構設計竟賽可以發(fā)揮學生的聰明才智，對結構形式創(chuàng)新，可以創(chuàng)新前所未有的結構形式，也可以模仿和仿造已有的結構局部，體現(xiàn)新的發(fā)展和突破。作為一個參賽選手必須知道：只有自己想不到的，沒有別人做不到的！在不違規(guī)的前提下，想法超越現(xiàn)實都是允許的，因為沒有人知道未來的發(fā)展情景，也許你的想法在未來就能成為現(xiàn)實。結構模型設計競賽歷時長，雖然很累，但是能堅持下來，你將會發(fā)現(xiàn)對你的成長之路非常有用。大學生結構設計競賽是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽，為高等學校開展創(chuàng)新教育和實踐教學改革、加強高校與企業(yè)之間聯(lián)系、推動學科創(chuàng)新活動起到積極示范作用[2]。參加結構設計競賽可以增強大學生的工程結構設計實踐能力，全面考驗土建專業(yè)大學生的創(chuàng)新意識、設計技能、實踐動手能力、合作精神等綜合素質，這是土建類學生結構設計很好的第二課堂。

【參考文獻】

[[1]常建梅，郭飛宇.談結構設計競賽紙質模型承載力提高措施[J].山西建筑，2011，40（15）：34-35.

[2]祝賀.全國大學生結構設計競賽對大學生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的影響[J].科技視界，2014（28）：98，301.

[責任編輯：李書培]