結構設計競賽中渡槽支承系統模型設計與制作

馬肖彤　金建輝　戚海冕　韓威

【摘 要】文章根據寧夏自治區第二屆結構設計競賽的競賽細則，結合對材料的性能分析，通過賽題分析、方案構思、結構選型、分析計算四個方面，介紹了渡槽支承系統模型的結構設計和模型制作方法。

【關鍵詞】結構設計競賽；渡槽支承；模型設計

0 引言

為深入推進土木工程人才培養模式改革，培養大學生的創新思維和實際動手能力，增強大學生工程結構設計與實踐能力，促進寧夏回族自治區高校大學生相互學習和交流。在2017年7月中旬如期舉辦了“2017年第二屆寧夏回族自治區大學生結構設計競賽”。競賽由寧夏教育廳主辦，寧夏大學承辦。競賽題目依據國賽題目為“渡槽支承系統結構設計與制作”，要求設計自重在一定范圍內且有較大承載能力及輸水效率的渡槽支承系統模型[1-3]。

1 賽題回顧及分析

競賽組委會統一提供6種規格的本色復壓竹材、502膠水、美工刀等材料，制作渡槽支承系統結構模型并進行輸水加載試驗， 模型結構形式不限，支承個數不限， 所有桿件、節點及連接部件均采用給定材料與膠水手工制作完成；輸水管可捆綁、吊掛或擱置在模型上，只允許使用給定材料連接，不得直接使用膠水粘結輸水管；模型與承臺板之間采用自攻螺釘連接； 模型制作時間累計為 18 小時。

支承系統結構模型用于支承輸水管， 可以自行選定輸水路線，但應經過指定的兩個灌溉點 A、B，即輸水管在承臺板上的正投影應覆蓋 A、B二點。

本次競賽的評分標準為：1）計算書及設計說明 10 分；2） 結構選型及制作質量 10 分；3） 現場表現 5 分；4） 模型加載 35 分；5）模型卸載 15 分；6） 輸水效率 25 分。

其中，模型加載分為F4=×35，？琢=，當？琢>1時取1。Mmin為所有加載、卸載成功且S≤10kg的所有模型最小自重；S為輸水損失，S=W0-W2；M為模型自重，M=M1+M2，當F4大于35時取35；模型卸載F5=×15，如果S>10kg，模型卸載為0分；輸水效率：F6=（1-0.1S）×25，如果S>10kg，輸水效率為0分。

通過對賽題的研究可知，本次競賽設計模型需要考慮加卸載承重以及排水效率等問題，其中由于加載卸載的50分主要由結構重量決定，因此，模型成功的關鍵就在于如何在滿足承重的前提下盡可能的減輕重量。為所有加載、卸載成功且S≤10kg的所有模型最小自重；

2 方案構思

模型主要承受500N水流活荷載和一定的水平沖擊荷載，同時要求結構有較強的抗剪能力。

（1）由于此次競賽，結構形式不限，所以要在充分利用材料性能的基礎上進行結構的合理設計，考慮到輸水效率的問題，以及輸水管在承臺板上的正投影必須覆蓋A、B兩點，因此設計支承結構為橋梁結構結合剛架支撐結構。

（2）設計的總原則是：安全、經濟、美觀，模型荷重比能夠體現模型結構的合理性和材料利用效率，所以盡量要減輕結構重量，因此結構不能太復雜，桿件數要盡量少盡量輕。

（3）由于所提供的材料抗壓性能弱，抗拉性能較強，在保證質量要求量輕巧的前提下，豎直荷載較難滿足，水平動荷載對結構的剛度要求較高，同時要求結構有足夠的穩定性。因此，如何合理地利用材料設計出滿足要求的結構形式和截面形式非常重要。

3 結構選型

3.1 材料截面選擇

三角形為一種受力均勻、非常穩定的結構單元，便于竹條性能的發揮，因此材料截面選擇三角形為基礎，將三角形拼接為菱形作為主截面。主體承重柱子截面為2根10mm×10mm×10mm×5mm三角形和15mm×15mm雙層三角形的桿件粘接而成，保證抗壓的同時減輕材料的質量，主要的承重構件基本都是以這種截面為主，截面示意圖如圖1所示。

圖1 截面圖

3.2 結構設計

根據對賽題的研究分析，為了滿足受力要求以及輸水效率問題，渡槽支承系統設計為橋梁結構加空間剛架體系，節點間有斜撐連接。橋梁結構見圖2所示，選用這種橋型考慮到了支座就不需要做的特別牢固，該橋的主要承重構件就是兩根大的斜撐，將兩根橫梁分成三跨，可以減小橫梁的壓力，支座部位我們擔心向兩邊倒，即出現平面外失穩，我們在以前橋梁的基礎上加了兩根拉條。因為竹條的抗拉強度特別高，為了增強穩定性在兩根柱子之間加了兩道斜撐增強了穩定性。在節點部位為了模仿剛節點，用最薄的竹片進行包裹這樣可以很大程度上增強節點間的強度。這種結構優點是受力簡單明了，穩定性好，承受荷載大。

剛架最初設計為平面剛架，但是考慮到這種形式平面外穩定性差，容易傾覆，并且對支座的強度要求較大，增加了支座的制作難度，因此改進為空間剛架結構，這樣既可以提高穩定性，也可以忽略支座的作用，另外，為了增強結構整體穩定性增加了兩道斜撐。

3.3 節點設計

主體結構相交的節點由于桿件的傾斜在施加動載和靜載時會引起較大的剪力，在連接時用比較薄的竹片將節點部位進行綁扎，從而在結構受力計算時一些節點模擬成剛接節點。

斜撐相交時，將斜撐直接搭接，并用小竹片的輔以膠水粘接，避免直接穿插的榫接節點破壞材料的局部力學特性。

4 受力分析及計算

4.1 結構建模

對于該渡槽支承系統，在進行結構內力分析時分別按照橋梁和空間剛架結構進行計算。該結構為多次超靜定結構，手算過于復雜且難以得到精確的結果，所以采用有限元軟件ANSYS進行分析[4]。本結構的制作材料為竹材，節點處用膠水進行粘接，其作用介于剛接與鉸接之間，剛接作用較強，所以計算時采用剛接較為合理。分析時取最不利進行。

建立的有限元模型如圖4所示：

（a）橋梁結構 （b）剛架結構

4.2 計算及分析

根據《建筑結構荷載設計規范》（GB50009-2012）5.6條：建筑結構設計的動力計算，在有充分依據時，可將重物或設備的自重乘以動力系數后，按靜力設計計算。動力系數即為在承受動力荷載的結構或構件，當按靜力設計時采用的系數，其值為結構或構件的最大動力效應與相應的靜力效應的比值。所以在計算模型時，結構計算分析采用靜力計算方法，將水流荷載乘以1.2的動力放大系數轉換為靜力荷載進行分析。

（1）橋梁結構

通過計算可得橋梁結構應力云圖及變形圖5，由圖所示，在整個受力過程中，結構構件竹材拉應力最大為21Mpa，壓應力最大為19.65Mpa，均未超過抗拉強度60MPa 和抗壓強度30MPa的材料極限值，滿足結構承載能力要求。在水管及水流荷載作用下，縱橫梁為彎曲變形，柱為軸向變形加彎曲變形，結構最大變形量為8mm左右，通過查閱文獻可知，該類結構在變形約 15mm、以內時基本為彈性變形，除去結構初始連接變形外，其余變形均可恢復。因此，結構變形滿足要求。

（2）剛架結構

通過計算可得剛架結構應力云圖及變形圖6，由圖可見，在整個受力過程中，結構構件竹材料拉應力最大為16.19Mpa，壓應力最大為 4.98Mpa，均未超過抗拉強度60MPa 和抗壓強度30MPa的材料極限值，滿足結構承載能力要求。水管及水流荷載作用下，縱橫梁為彎曲變形，柱為軸向變形加彎曲變形，結構最大變形量為0.79mm左右，結構變形滿足要求。

5 結語

在進行結構的設計時，首先應對結構進行合理選型，根據設計條件和使用要求確定結構形式，在此基礎上進行下一步分析。本模型就是首先根據賽題要求確定了渡槽支承系統的組成結構形式，然后用有限元軟件進行分析和論證，最后通過實際制作來不斷改進。

此外，在模型的制作過程中精細的加工十分重要，保證模型截面、節點等關鍵部位符合設計及有限元建模的要求，使實驗結果與計算結果較為接近，這樣才能制作出好的結構模型。

【參考文獻】

[1]盧惠民，李迅，徐曉紅，等.合作學習教學模式在學科競賽中的應用研究[J].高等教育研究學報，2013，36（3）：80-82.

[2]張炎圣，陸新征.大學生結構設計大賽中的計算機仿真分析[J].力學與實踐， 2009，31（4）：110-112 .

[3]舒小娟，黃柱，周旭光.紙拱橋結構模型優化建模分析-大學生結構設計競賽談[J].力學與實踐，2012（4） ：89-92.

[4]武江傳.ANSYS 在結構分析中的應用[J].連云港化工高等專科學校學報， 2002，15（3）：29-31.

[責任編輯：張濤]endprint