復壓竹皮制作建筑結構模型優化設計

陳后瓊 官 義 張俊杰(長江師范學院 重慶 涪陵 408100)

前言:大學生結構設計競賽旨在培養大學生的創新意識與合作精神，提高大學生的創新設計能力和動手實踐能力，是教育部批準的9個頂級國家大學生競賽資助項目之一。參賽者必須把握命題要求，精確地進行模型制作。不同的構件，其承受荷載的能力也是有差異的，選擇合適的截面形式不僅能夠滿足荷載要求，還能節約材料，而構件之間的連接關乎整個模型的穩定性，下面將針對“多層建筑和橋梁”在結構選型、節點處理等方面進行闡述。

1 結構選型

優秀的結構有三點:合理的體型、簡潔清晰的力流傳遞路徑和有效的能量轉移途徑。在平面方向上應盡量規則、對稱，在立面方向上，如果結構外形與主要荷載下的彎矩圖大致相似則會更加經濟。為了選擇合理的結構形式，本文整理了工程中常用的幾種結構形式及其優缺點比較，見表1。

表1 結構形式優缺點比較

網架結構 自重輕、剛度大、空間受力小、抗震性能好 節點多、安裝過程復雜拱結構 力學性能好，尤其是對抗壓性能好的材料 跨度大時水平推力很大斜拉結構 結構自重輕、節約材料、易施工 對變形的控制難度大懸索結構 結構自重輕、節約材料、易施工 對變形的控制難度大張弦結構(魚腹式) 自重較輕，跨越能力強，橋梁主結構優選 節點多安裝過程復雜

2 理論分析

在初步選型之后需要進行理論計算優化設計，大多采用力學與結構方面的知識進行手算，也可以用一些輔助計算軟件如:結構力學求解器或其他有限元軟件如:Ansys、Midas等建立有限元模型，計算出初步選型的軸力、剪力、彎矩等內力以及水平位移、豎向位移、轉角等位移值，不斷對模型進行優化使其受力小又能節省材料。

3 截面形式

一般采用薄壁空心截面桿作為模型桿件，其截面形式和截面尺寸直接影響薄壁桿件的力學性能(剛度、強度、穩定性)，從而影響結構的承載能力。結構設計中常使用的薄壁桿件截面形式如表2所示。

表2各種桿件截面形式及適用情況

4 節點優化

節點的加固初衷是提高節點的抗剪能力，提高梁和柱的整體性，使二者共同有效地協調變形而抵抗活載效應。根據其它優秀文章及自身設計經驗總結出以下節點優化注意細節:

(1)在兩根桿件對接或桿端與支座連接處增加墊板，且墊板尺寸不得小于對接面尺寸。(2)在桿件連接空隙處撒上竹皮粉末，并滴上膠水。粉末可以充分的填充構件之間的空隙，而且撒上的粉末比表面積竹條大得多，因此可以牢固地粘接構件，。(3)構件粘貼時，須對粘貼面或粘貼邊進行謹慎打磨，增加粘黏效果，嚴禁打磨至露出絲狀物。(4)兩根桿件180°夾角對接，應使用外部套桿或內部搭接桿，桿長不得小于桿截面高度的2倍。(5)兩根桿件非180°夾角對接，應至少在較大彎矩平面內的兩側面增加凸多邊形節點板。

5 結語

模型的優劣主要由結構選型和節點處理決定，對于復壓竹皮模型，需注意以下兩點:

(1)結構選型需充分發揮竹皮材料優越的抗拉性能，在條件允許的情況下多使用預應力張弦竹條不僅可以解決承載力問題，更能獲得更佳的穩定性效果;

(2)合理的節點處理能確保結構整體受力的可靠性，尤其是地震荷載等類似動載情況下，確保結構不會因弱節點發生破壞。