基于綠色節能的大跨度屋蓋結構的探索研究

王 坤

安徽省淮南市安徽理工大學

基于綠色節能的大跨度屋蓋結構的探索研究

王 坤

安徽省淮南市安徽理工大學

從完成競賽所需的結構選型、計算分析、模型制作等環節出發，系統的闡述了結構設計競賽所需注意的事項以及在設計、實驗的過程中獲得對結構優化及對創新的理解與實現。

結構設計競賽；模型；創新

1 引言

“第十屆全國大學生結構設計競賽”是由高等學校土木工程學科專業指導委員會、中國土木工程學會教育工作委員會主辦的全國性賽事，旨在通過競賽加強全國各高校的交流，提高土木工程領域學生的實踐能力，訓練同學們發現問題、分析問題和解決問題的科學方法，全面提高土木工程專業學生綜合素質。

2 賽題分析

本次賽題立足于結構極限狀態（承載力極限狀態和正常使用極限狀態）的基本概念，融入剛柔并濟的結構設計理念。根據競賽要求，比賽使用的材料為不同規格的竹條與竹皮，該竹制模型需要分兩階段進行承重加載，加載規則如下:A第一階段加載過程中，出現以下情況，則終止加載。本級加載及以后級別加載成績為零（即第二級加載出現此情況，加載項成績算第一級加載成功的成績）；（1）模型結構發生整體傾覆、垮塌；（2）屋面桿件脫落；除柱（斜撐）外，不能有任何構件觸地。小桿件可能斷開，節點脫開，但不落地，則認為加載成功；（3）撓度超過允許撓度限值[ω]的1.10倍。B第二階段（1）加載過程中，若模型結構發生整體傾覆、垮塌，則終止加載，本級加載及以后級別加載成績為零（即第三級加載出現此情況，加載項成績算第二級加載成功的成績）；（2）加載過程中，若模型結構未發生整體傾覆、垮塌，但有局部桿件的破壞、脫落或過大變形，則可繼續加載。

3 結構選型

根據拱結構受力特點，模型上弦梁采用超靜定拱結構；拱結構的受力狀態與梁式結構有根本的不同，梁結構以受彎為主，但合理的拱幾乎可以不出現彎矩，拱只受到壓力作用。

主索懸帶是主受力構件，整橋的豎向荷載由預應力索承擔，可充分發揮竹材的抗拉能力；屋面結構需要進行加載，即可作為受壓構件平衡拱的水平力，也可充分發揮竹材的抗壓能力；中間的主柱排架作為次結構，以減少跨度--整個結構自身固平衡，所有材料無一點浪費。它與正常的系桿拱橋相比：第一，省材料，正常拱產生的是水平推力，只能用受拉構件來平衡；而上承式懸帶梁是倒拱，產生的是水平壓力，屋面可以直接作為壓桿來平衡，節省了一組受力構件；第二，施工方便，上承式懸帶梁自下而上施工，懸帶可以直接作為主柱排架和屋面梁板的施工平臺，不需要另外支設腳手架；考慮到竹材的抗彎性能較差，所以上弦梁的拱形結構并不高，避免因拱水平推力過大，使拱結構發生彎曲而倒塌。

4 結構特色

4.1預應力組合梁的設計，充分利用了竹材的抗拉性能，使用拉索對梁施加預應力，使梁的中間輕微起拱，可有效地增加梁的剛度，減小了承載時的撓度變形，保證了結構的穩定性，同時提高了梁的整體凈空高度。

4.2為了控制模型的質量，使用厚度為0.5mm的竹皮制成10mm×10mm的箱型截面柱，且柱設有箍筋；屋蓋使用上承式懸帶梁-交叉結構。梁與柱子之間采用502膠水進行榫式黏結，增強局部穩定性，并且方便于構件的制作與黏結。

4.3在組合梁的交叉部分，采用的是榫接，輔以502膠水進行黏結后，結構的整體性較強。這樣設計的屋蓋結構，既能大量節省材料，又能避免撓度疊加帶來的變形過大等問題。

4.4考慮到加載不能對稱，模型易發生側向及扭轉失穩，在柱子頂端與承臺板之間設有8根斜拉索，以保證模型的整體穩定性。

5 基本假定

5.1模型的構件采用比賽提供的竹皮與竹條制作，各構件之間采用502膠水黏結，初步計算時不考慮溫度應力引起材料的膨脹或收縮且不考慮膠水厚度的影響，將構件作為等厚度閉口薄壁截面進行計算。

5.2兩個上承式懸帶結構上弦梁交叉連接處和下弦梁交叉連接處均采用卡槽連接，并采用 502膠水進行黏結，在計算時按剛接進行考慮。

5.3柱腳與底板連接處，采取柱腳連接件加強，在一定程度上限制了其自由轉動，計算時按剛接考慮。

5.4斜拉索與承載板之間采用連接件連接，連接件與承載板和斜拉索之間采用膠水黏結，在計算時按剛接進行考慮。

5.5斜拉索與柱頂上承式懸帶結構端口上部之間采用連接件連接，連接件與柱頂上承式懸帶結構端口上部和斜拉索之間采用膠水黏結，在計算時按剛接進行考慮。

5.6上承式懸帶結構端口與柱頂之間、上承式懸帶結構上弦梁與各腹桿和斜撐之間、上承式懸帶結構下弦梁與各腹桿和斜撐之間、上承式懸帶結構端口處上弦梁與下弦梁之間均采用卡槽連接，并采用502膠水進行黏結，在計算時按剛接進行考慮。

6 結構計算分析

設計過程是個不斷對結構優化的過程，要得到最優的結構，必須經過反復的試算、不斷更改截面或構件，直到設計出較為合理的結構形式，所以計算工作十分的復雜，因此在結構模型設計過程中，需要采用合適的有限元分析軟件來進行分析及截面的校核工作。本次競賽我們采用的分析軟件為midas Gen。步驟先是建立模型，再輸入相應的參數，然后是圖形及數據的輸出，最后是分析與優化改進。

7 模型制作

在進行模型制作時一定要將結構的構件尺寸及搭接方式有一個詳細計劃，在組裝過程中有一些構件有較多接口，在處理時需要反復測試，因為這些構件的制作及拼裝所用的時間決定了整個模型的制作時間，也就是說能否在規定時間內能否完成模型，同時模型的變形限制是否可以滿足條件,節點的制作處理一直是模型制作中必須予以重點考慮的，它是發揮承載潛能的重要一環。在理論計算中，構件與構件的聯結方式或是鉸結或是固結。而在實際操作中這些連接方式都是理想化的。因此，構件實際受力就會與節點制作方式有很大關聯。在本次結構設計中，可知梁和柱的連接處必須予以重視。計算表明這處的彎矩最大，在制作工程中必須要將其做成剛接點，才能有效的傳遞彎矩。

[1]項海帆.橋梁概念設計[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]于洋,姜峰,司炳君,檀永剛,等.關于結構設計競賽中模型的設計與制作方法[J].科技咨詢,2007(18).

項目級別：安徽省大學生創新創業項目

項目號：201610361183

項目名稱：建筑節能技術的研究與建立新型智能化復合建筑節能系統

王坤（1994.10--），男，學生，安徽理工大學，安徽省淮南市田家庵區，郵編232001