結構模型制作與方案確定

摘 要：土木工程專業結構模型設計競賽已成為培養學生創新能力、實踐能力和競爭意識的一個新興實踐教學環節。基于第十屆全國大學生結構設計競賽賽題，本文從設計思路、結構選型和節點處理與制作3個方面介紹模型。最終制作完成符合大賽要求的模型。

關鍵詞：結構模型；結構選型；節點處理與制作

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

一、設計思路

本結構的大跨度屋蓋是采用交叉張弦雙拱結構。采用此種結構便于控制撓度，節約材料。整個結構受力主要由兩個工字型曲線拱梁承擔，兩梁之間的斜拉條可以保證防止兩個工字型曲線梁平面外失穩，在工字型曲線梁受力后，底部拉條受拉，正好發揮竹材抗拉性能。柱子采用4根帶外拉竹條的“T”型柱。在柱子頂部搭接屋蓋，屋蓋將上部荷載直接傳遞給柱子，在柱子的外側均有3個方向的拉條，增加結構的整體性和穩定性。

二、 結構選型

1.屋蓋結構方案確定

對于這次的設計，我們分別考慮了桁架結構（如圖1所示），網架結構（如圖2所示），雙拱結構（如圖3所示），共3種設計方案。

（1）桁架結構是以桁架代替實心梁承受彎矩，它是由多根小截面桿件組成的“空腹式的大梁”，由于桁架相對于實心的梁在受彎方面更經濟。此結構內力主要為軸力，結構模型很合理。但考慮到竹子的受壓能力有限，經過多次試驗，要想承受足夠的荷載，其自重必然會很大，且撓度極小。

（2）網架結構是由很多桿件從兩個方向或多個方向有規律地組成的高次超靜定空間結構。由于桿件之間的相互空間作用，它具有桁架結構受力體系的優點，能承受彎矩、節省材料，同時具有空間穩定性，在各個方向均具有較好的剛度。但也正是它的這些特點導致此結構剛度太大，并且節點太多，結構的偶然性無法保證。

（3）雙拱結構巧妙地結合了這兩者的優缺點，此結構制作方法簡單，材料利用合理，自重輕，強度大，撓度適合，節點少。整個結構受力主要由兩個工字型曲線拱梁承擔，兩梁之間的斜竹拉條可以保證防止兩個工字型曲線梁平面外失穩，在工字型曲線梁受力后，底部拉條受拉，正好發揮竹材抗拉性能。所以，經過多次試驗比較，我們最后選擇了交叉張弦雙拱結構。

2.柱方案的確定

確定屋蓋模型后，發現交叉張弦雙拱結構在承受荷重后除產生重力外還要產生橫向的推力，為保持穩定，就必須要有堅實、穩固的支座。因此，經過多次試驗后我們選用截面為帶外拉竹條的T型柱，如圖4所示，此種柱強度大，質量輕，穩定性好，使柱子具有更好的穩定性。

三、節點處理及制作

1.桿件拼接連接

桿件連接順序：首先將柱子和梁制作完成，然后在承臺板上面先樹立4根柱子，將制作好的工字型交叉雙拱梁的4個腳點搭接在柱頂，并使用502膠水固定；然后將制作好的柱子拉索結構按照要求的尺寸固定在柱子的周圍，并將拉索結構的另一端固定在承臺板上面；最后按照設計的尺寸搭接工字型交叉雙拱梁上的拉索結構。

2.節點連接

（1）工字型曲線形拱梁的連接。工字型交叉雙拱梁分別使用兩根規格為930mm×6mm×1mm的竹條和1根規格為930mm×3mm×3mm制作而成。兩條工字型交叉雙拱梁連接形成屋面主要受力構件，如圖5所示。

（2）梁的節點處理。梁在制作的過程中，由于單根竹條長度不夠，所以必須進行竹條的加長處理。為了增加逐條的粘膠面積，將竹條想成“L”形接口并在其兩側附加竹條加固，如圖6所示。

（3）梁和柱子的連接。梁先和張弦拉索連接在一起，梁和張弦的連接是依靠粘接在張弦上的斜口竹片（斜口角度30度為宜）和梁的楔形末端咬合粘接。在張弦的底部附加規格為930mm×6mm×1mm的竹片（略長于梁末端的楔形口）然后將梁末端的楔形口下的竹片和柱子頂部搭接并用502膠水固定，并加擋片用規格為1250mm×430mm×0.2mm的竹皮條纏繞，從而達到加固的效果，如圖7所示。

（4）柱子頂部和拉索的連接。在成型的柱子的周圍黏結拉索，并在柱子頂部10mm-20mm處用規格為1250mm×430mm×0.2mm的竹皮紙裁剪成5mm寬的條狀纏繞，從而達到加固的效果，如圖8所示。

（5）拉索和柱身的連接。在柱子的中點以上30mm處用規格為930mm×6mm×1mm裁剪成適當長度的短竹條，頂起拉索，以此增加柱子的穩定性，如圖9所示。

3.柱腳節點

拉索和柱子與承臺板的連接。為了使結構和承臺板穩定的連接，柱腳和拉索底部都增加了與承臺板接觸面積，如圖10所示。

結語

本文以全國第十屆大學生結構設計大賽為例，詳細介紹了模型屋蓋結構方案比選，柱方案確定，并結合實際手工制作，最終完成符合大賽要求的模型。

參考文獻

[1]陳吉光.結構模型設計制作與分析——以2015年吉林省大學結構設計大賽為例[J].中國新技術新產品，2016（5）：89-90.