第五屆湖北省大學生結構設計競賽實踐與探討

邵文琦　蘇駿

摘要：從結構選型、支承體系設計、加載情況等方面回顧了第五屆湖北省大學生結構設計大賽，通過制作渡槽支承系統結構模型，研究了輸水時渡槽支承系統結構的受力特點、設計優化、施工技術等問題，并探討了結構設計大賽對大學生綜合能力培養的影響。

關鍵詞：大學生；結構設計競賽；綜合能力；創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0148-02

湖北省大學生結構設計競賽由湖北省教育廳、住房和城鄉建設廳、湖北省土木學會聯合主辦，由湖北省高校輪流承辦，對培養大學生的創新意識、團隊合作精神，提高大學生的創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質作用顯著，已成為大學生素質教育和課外科技活動的一項重要內容。目前湖北省結構設計競賽已經連續舉辦了五屆，2017年第五屆湖北省大學生結構設計競賽共吸引了湖北省26所高校中的76支參賽隊伍參加，經過三天緊張激烈的比賽，競賽專家委員會根據計算書、模型外觀、現場答辯和加載情況最終評出了8個一等獎、15個二等獎、15個三等獎、最佳創意獎、最佳制作獎和5個優秀組織獎。下面將對此次結構設計大賽進行回顧和總結，并探討結構設計大賽對大學生綜合能力培養的影響。

一、大賽回顧

本次湖北省大學生結構設計競賽賽題為渡槽支承系統結構設計與制作。競賽的目的就是希望通過制作渡槽支承系統結構模型，深入了解渡槽的不同結構形式，共同探討輸水時渡槽支承系統結構的受力特點、設計優化、施工技術等難題。在渡槽結構的設計過程中，需要重點考慮如下三個方面內容：

第一，在加水和放水過程中，跨河段模型都會受到水管對之產生的不斷變化的壓力和摩擦力，由于需要承受兩段水管的壓力，在加水過程中，上下水管無法均勻加載，會對跨河段模型產生沖擊荷載作用，如果對模型的設計考慮不夠充分，將會導致跨河段模型發生顯著變形乃至被破壞，因此在設計中，對跨河段模型的設計是需要重點關注的問題之一。

第二，渡槽的最重要的功能是輸送水流，放水時，水是否能均勻穩定地流下，殘余在水管中的水是否符合要求。高差設置不合理時，會對模型產生不同程度的影響，高差過大，沖擊而下的水對模型有一個沖擊荷載，甚至造成模型產生不同程度的晃動；高差太小，容易造成水在水管中的殘余，影響模型的功能。因此，模型全程的高差處理是設計時需要重點考慮的內容。

第三，渡槽不同于公路和鐵路橋，要傳送大量的水，對于大型渡槽而言，其傳送的水的重量與渡槽結構本身的重量相當，甚至大于渡槽結構本身的重量，大量的水體在結構靜力與動力分析中都起重要的作用，因此，在模型設計的過程中，水體與模型的相互作用也是需要重點考慮的內容。

作為建筑工程師，往往比較關注的是建筑的功能和外觀，但結構工程師更看重結構體系的合理性和實用性。本次比賽評分根據計算書及設計說明、結構選型及制作質量、現場表現、模型加載、模型卸載和輸水效率六項來確定。根據歷年競賽的情況來看，前三項差距并不大，后三項才是參賽團隊需要重點關注的地方，本次競賽的輸水效率尤為重要，因此模型的穩定性和輸水效率是確定模型結構形式的重要內容。

1.結構選型。在模型計算、制作和加載試驗過程中，不同模型都有自己的優缺點，需要從質量及結構整體穩定性等方面考慮，找出較為合理的結構類型。在整個設計過程中，初步考慮如下幾種體系：（1）梁式渡槽：梁式渡槽受力、傳力明確，設計和施工均較方便，工程應用情況良好，是渡槽建設中采用最多的一種結構型式。（2）拱式渡槽：拱式渡槽的主拱圈在拱上結構傳來的荷載作用下，主要產生軸向壓力，而彎矩很小，因此可用抗拉強度低而抗壓強度高的圬工材料建造，這是拱式渡槽的主要特點。（3）桁架式渡槽：分為桁架梁式渡槽和桁架拱式渡槽。桁架式渡槽充分發揮了材料的特性，具有施工快速、經濟性好、縱向剛度大和重量輕等優點。（4）斜拉式渡槽：斜拉式渡槽一般由塔、墩、拉索及主梁（槽身）四部分組成，與其他結構相比具有十分明顯的優點，因其是一種高次超靜定結構，受力性能良好。并且斜拉結構對地形的適應性較強，造型簡明輕巧美觀。但是槽身過大的變形影響渡槽的過水能力，限裂止水等關鍵的技術問題尚待解決。從工程實例角度出發，梁式和拱式渡槽分別具有自己的優勢，實際工程中梁式渡槽使用較為廣泛。但從結構模型制作的角度出發，過橋段需要上下同時承載，桁架式渡槽相對更容易滿足設計制作的要求。

2.渡槽的設計。基于上述分析，競賽團隊最終選擇的是桁架拱渡槽。其特點在于：（1）以桁架式拱作為槽身支承結構的渡槽。桁架式拱將拱式渡槽的主拱圈與拱上支承結構結合在一起，加載時拱上支承結構與拱可以同時承載，滿足設計的要求。（2）由于加載時會導致桿件的彎曲變形，并且有可能導致模型整體重心的偏移，使模型變得不穩固，因此在拱的下部分增加交叉拉帶，抑制模型的側向水平位移，在拱結點與長柱之間增加斜桿，從而抑制拱圈的位置變化，這樣就會最大程度地減小拱圈的變形。（3）節點連接方面，考慮到良好的節點制作質量是確保整個模型性能得以充分發揮的關鍵，因此需要對節點的制作給予充分的重視。在節點處采用了“竹屑-膠”混合加固技術，并采用了多種節點板式的搭配組合。（4）除了有放置水管的空間要求外，對其他面上根據需要均打上交叉拉帶，會使模型穩定性大大提高。

3.加載時不同情況的分析和處理。（1）在加水過程中，水從入水口流入，流向出水口的過程中，會帶動水管產生一個向后的力，進而造成模型整體向后被拖垮。通常采取增加圈梁、增加連接構件等措施來解決，使結構的整體性有很大提高。（2）在加水過程中，存在短期內水在跨河段上的分布出現明顯不均勻的情況，會導致加水期間跨河段拱發生較大變形，進而會造成桿件的彎折，對后續加水過程造成不利影響，因此對于模型需考慮加載引起的變形影響。針對上述狀況，在跨河段模型設計時，節點處和長桿之間加斜桿，增加模型的整體性，減少由于輸水時拱產生的上下位移。（3）本次競賽要求采用指定的竹材和502膠水，但不同厚度的竹皮做出來的構件力學特性尚不明確。因此在模型設計階段需要進行相應的材料性能試驗，包括桿件的拉伸試驗、受壓性能試驗等。

二、對大學生綜合能力的培養

1.概念設計能力的培養。本次競賽需要參賽團隊有一定的材料、力學、結構原理的知識基礎以完成最優化的模型結構設計，由于不同的賽題對結構概念要求不同，這就需要參賽者對不同的結構形式，如高層結構、橋梁結構、屋架或渡槽支承體系等結構概念和不同結構的力學特性有一定的了解，以便選擇合理的結構形式。

2.數值計算和創新能力的培養。為了使模型結構既滿足承載要求又質量最輕，需要對構件截面進行反復的調整和計算，計算過程中，需要用到一些結構計算分析軟件，如PKPM建筑結構設計、ANSYS軟件分析、SAP2000軟件的計算與應用等相關內容，通過指導教師的理論授課和分析軟件培訓，參賽團隊熟練采用結構力學求解器計算平面結構問題，用ANSYS、MADIS、SAP2000等有限元軟件計算空間結構的應力變形問題。在此基礎上，制作結構模型，隨后到實驗室進行模型加載實驗，并對實驗結果進行討論分析。達到了提高學生的數值計算能力和綜合素質的目的，培養了參賽學生的創新能力。

3.動手實踐能力的培養。結構設計競賽是理論知識和工程實踐緊密統一的完整過程，是把土木工程主干課程中的理論知識應用于模型設計與制作的真正實踐，能夠使學生切實感受到理論知識與工程實際問題的聯系。在模型設計制作的整個過程中，全面考查了學生的力學概念和結構概念，訓練了學生的動手能力，了解了實踐與理論的差異之處，模型制作的精良程度與學生的動手能力密切相關。因此，對學生的創新能力、學習能力、工程實踐能力、綜合應用能力的培養發揮了巨大作用。

三、結語

本文從結構選型、支承體系結構設計和加載情況等方面對第五屆湖北省結構設計競賽進行了回顧和簡單的總結，同時對結構設計大賽對大學生綜合能力的培養進行了探索，結果表明：大學生結構設計競賽能有效提高學生的創新能力、學習能力和動手實踐能力，從而全面提高學生的綜合素質。

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