大學生結構設計競賽之竹材橋梁結構分析

李雋逸　劉志威

摘要：以2017年湖北省大學生結構設計競賽為背景，以紙質結構模型中的橋梁為例，運用ABAQUS軟件對紙質橋梁結構進行建模，通過分析橋梁在荷載作用下的極限荷載和跨中最大撓度進行橋型比選以及結構優化。之后，我們通過具體的加載實驗驗證了紙質梁一桁架組合橋在荷載作用下能很好地滿足競賽的要求。在此過程中充分鍛煉了學生在模型設計，模型建立與優化，受力分析與結果分析的能力。

關鍵詞：結構設計競賽；橋梁；梁一桁架組合橋

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.093

結構設計大賽是一項激勵在校大學生積極參與學科競賽活動，提高專業知識能力，拓寬專業知識面，增加學生見識，培養了學生團結協作的能力，更能激發學生的創新熱情、增強專業興趣、加深專業理解，同時也鍛煉了學生的動手能力。我校以培養學生全方面能力為出發點，讓學生自由發揮，互相討論，充分發揮學生的創新意識。此次競賽所設計的模型雖然是紙質的，而且體型較小，但是與工程結構一樣五臟俱全。在橋梁比選、模型優化、結果分析等方面具有一定的現實意義。本文以結構設計競賽中的紙質橋梁為例，通過對竹材的受力性能和各種橋型的受力特點進行分析，經過比選，初步選定了三種橋型結構（桁架橋、簡支梁橋和梁一桁架組合橋）。之后，根據本次競賽的要求和橋梁結構的受力特點，確定了三種橋型結構的尺寸。緊接著，我們使用有限元軟件ABAQUS對三種結構進行了建模，通過分析比較三種橋梁結構的最大承載力和跨中最大撓度，選定梁一桁架組合橋作為本次競賽的橋型結構。之后，通過ABAQUS分析得到的應力云圖對結構進行了優化，使得結構能夠滿足競賽要求。之后，為了驗證建模分析的準確性，我們進行了現場加載實驗，測得了橋梁跨中的撓度和橋梁結構破壞情況，以保證此模型能很好地滿足競賽的需要。

1結構設計競賽的規則

本次競賽題目已經確定了橋梁為單跨，跨徑為1m，高度為450mm。加載裝置為輸水管，輸水管為加筋軟管（內徑為100mm，壁厚0.7mm，質量約為0.58kg/m）。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。

評分規則為：加載持續20秒模型不發生整體垮塌（允許局部損壞，但輸水管不得觸碰承臺板并且不能損壞），則加載階段加載成功；否則加載失敗，模型加載、卸載、輸水效率得分均為0分。具體的評分項及分值如下：（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。

從上面的規則可以看出，首先我們必須確保模型在加載過程中不發生整體垮塌，之后我們要減小模型在加載過程中的變形，另外，在滿足前面兩個條件的前提下，我們要盡量減小模型的質量。

2橋型的比選

在工程實際中，橋梁結構的種類較多，例如：簡支梁橋，桁架橋，斜拉橋，懸索橋，拱橋和梁一桁架組合橋等。這幾種橋型結構在實際應用中較多，而且優缺點明顯。本次橋型比選是以結構的質量輕，變形小，穩定性強為原則，結合竹材的力學性能和橋型結構的受力特點，選出三個最合適的橋型形式。根據本次競賽提供的竹材的力學指標，我們發現竹材桿件的抗拉抗壓強度較高，但是抗彎和抗剪能力較差。通過對上述幾種橋型結構的分析，總結如下：

（1）簡支梁橋的橫向剛度較大，穩定性較好。橋墩為受壓構件，梁為受彎構件。

（2）桁架橋的橫向剛度較大，穩定性較好。構件基本都是受拉或受壓。

（3）斜拉橋橋的跨度較大，結構的質量較輕，穩定性較好，但跨中的撓度較大。另外由于本次競賽場地提供的底板尺寸較小，纜索與底板固定的位置離塔柱的距離較短，而塔柱較高，塔柱兩邊的纜索的角度不一致，很容易導致塔柱變形過大而破壞。再者，在荷載作用下纜索所受拉力較大，與底板不易固定，容易出現脫落。

（4）懸索橋的跨度較大，結構的質量較輕，穩定性較差，跨中的撓度較大。另外纜索與底板固定的位置離塔柱的距離較短，而塔柱較高，塔柱兩邊的纜索的角度不一致，很容易導致塔柱變形過大而破壞。再者，在荷載作用下纜索所受拉力較大，與底板不易固定，容易出現脫落。

（5）拱橋的剛度和穩定性較好，但是跨度較小，結構的質量較大。

（6）梁—桁架組合橋的剛度和穩定性較好，跨度較大，跨中撓度較小。

根據上述分析，相比而言，懸索橋、拱橋和斜拉橋與本次競賽的要求不符，因此我們初步選定了桁架橋、簡支梁橋和梁—桁架組合橋作為本次競賽的橋型結構。為了減小竹材桿件的質量，增大桿件的慣性矩，橋梁結構中的所有桿件都制作成空心桿。

之后，根據本次競賽的要求和結構的受力特點，初步確定了三種橋型結構的尺寸。三種橋型的質量分別為：桁架橋234g、簡支梁橋201g和梁一桁架組合橋219g。

3有限元分析

本文使用了有限元軟件ABAQUS對這三種結構進行了建模，通過比較三組橋梁結構的跨中最大撓度和最大承載力，選出一種最適合本次競賽的結構形式。

3.1模型的建立

3.1.1模型的簡化

（1）此次競賽中結構的節點連接都用的膠水，本文將其簡化為剛接。

（2）此次競賽中的荷載是注水管，在加水和排水的過程中，為動荷載，本文將其簡化為靜定均布荷載。

3.1.2創建材料

模型材料為復壓竹材，竹材的力學指標為：密度0.8g/cm³，順紋抗拉強度60Mpa，抗壓強度30Mpa，彈性模量6Gpa。

3.1.3邊界條件

根據節點的實際受力情況，對節點的邊界條件進行定義。競賽中橋梁結構與底板的連接為螺栓連接，本文近似地用剛接代替。

3.1.4荷載定義

每延米水和管的重量：G=mg=pvg+mg=1×π0.25×9.8+0.58×9.8=82N。

3.1.5網格的劃分

本文對混凝土單元劃分的網格的近似全局尺寸為0.02。模型建立如圖1-圖3所示。

3.2模擬結果的處理

由表1可以看出：與另外兩種橋型結構相比，梁一桁架組合橋的極限承載力較大，跨中撓度較小，更能滿足競賽要求，因此本文選定梁一桁架組合橋作為本次競賽的橋型結構。

4模型優化

為了進一步對梁一桁架組合橋模型進行優化，我們通過ABAQUS軟件分析得到了各桿件的應力云圖，如圖4所示。根據應力云圖，增大應力較大桿件的尺寸，減小應力較小桿件的尺寸。通過分析，發現梁和邊柱的應力較大，其他桿件的應力較小。

5加載實驗

為了驗證建模分析的準確性，我們進行了現場加載實驗，模型實物如圖5所示，模型質量為207g。我們采用與競賽相同的加載裝置（輸水管加載），加載持續20秒模型沒有發生垮塌，加載成功。之后我們測得跨中的撓度為5.3mm，與模擬結果相近。根據本次競賽的評分規則，此模型具有一定的競爭力。

6總結

本文以結構設計競賽為背景，根據結構設計大賽的要求，設計一種能較好滿足競賽要求的橋梁結構。本文結合竹材的受力性能和各種橋型的受力特點，使用有限元軟件ABAQUS對三種結構進行了分析，通過比較了三種橋梁結構的跨中最大撓度和最大承載力，選定了梁一桁架組合橋作為此次競賽的橋型結構。緊接著通過有限元軟件對結構模型進行了優化，使得結構的受力更加合理。之后，為了驗證建模分析的準確性，我們進行了現場實物加載實驗，加載持續20秒模型沒有發生垮塌，跨中的撓度較小。實驗結構很好地滿足競賽要求，具有一定的競爭力。