大學生結構設計競賽模型結構設計與優化★

閆 鉑 李英俊

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

全國大學生結構設計競賽為教育部確定的大學生九大學科競賽之一。作為土木工程專業創新性和實踐性最強的學科競賽，不僅可以培養大學生創新精神、團隊意識而且還可以提高工程實踐能力。為迎接第十二屆全國大學生結構設計競賽，第九屆吉林省大學生結構設計競賽暨第十二屆全國大學生結構設計競賽吉林省分區賽于2018年7月在吉林建筑大學城建學院舉辦。

1 賽題簡述

競賽以《承受多荷載工況的大跨度空間結構模型設計與制作》為題，賽題要求參賽隊設計并制作一個大跨度空間屋蓋結構模型，模型構件允許的布置范圍為兩個半球面之間的空間(如圖1所示)，內半球體半徑為375 mm，外半球體半徑為550 mm。

模型需在指定位置設置加載點并放置于加載臺上，先在8個點上施加豎向荷載，具體做法是：采用掛鉤從加載點上引垂直線，并通過轉向滑輪裝置將加載線引到加載臺兩側，采用在掛盤上放置砝碼的方式施加垂直荷載。在8個點中的點1處施加變化方向的水平荷載，具體做法是：采用掛鉤從加載點上引水平線，通過可調節高度的轉向滑輪裝置將加載線引至加載臺一側，并在掛盤上放置砝碼用于施加水平荷載。施加水平荷載的裝置可繞通過點1的豎軸旋轉，用于施加變化方向的水平荷載。

2 結構選型

結合第九屆吉林省大學生結構設計競賽賽題要求，大跨度空間屋蓋結構模型，模型構件允許的布置范圍為兩個半球面之間的空間，但賽題對于結構體系的選擇不作限制，因此給設計方案的選擇提供了較大余地。大跨度空間屋蓋結構可以采用網架結構、單層/雙層網殼結構、懸索結構等。每一種結構形式都各有優點與不足，經過反復試驗與優化，最終確定了較為理想的結構體系。

設計方案A：在該設計方案中，考慮采用了三角桁架結構。上部將各加載點用桿件連接，下部支撐結構用立體三角桁架。此模型將眾多主要長桿通過桁架拼接簡化為長細比較小的短桿，結構穩定，位移小，剛性大，能夠承受較大荷載。但該設計方案的最大缺點在于模型質量大，受力較為復雜，桿件較多。經過多次優化，模型質量始終無法達到預期，并且制作較為繁瑣，耗時較長。

設計方案B：在該設計方案中，考慮采用了拱形桁架結構。結構簡單，該模型腿部結構采用八根單腿并加拉帶輔助。加載試驗顯示，該結構穩定性較好，可以承受期望的荷載。但上部結構較為繁瑣，結構上節點較多且連接處容易開裂導致脫落。

定型方案：總結前兩種方案的經驗，在該設計方案中，采用了更為簡單的三角桁架結構。該模型將方案A和B相結合，將上部結構簡單優化改進；腿用A字形腿。經過受力分析、節點細化，得出定性方案(見圖2)。該方案結構簡單、受力清晰、質量較輕，結構更加緊湊，并且穩定性得到進一步提高。加載測試結果表明，該模型能夠承受三種工況的荷載，并且撓度滿足比賽要求。

3 結構優化

3.1 材料截面的選擇

實驗表明，對于竹皮做成的構件主要會發生正截面斷裂，少部分構件發生斜截面斷裂；加載測試表明，由于竹皮厚度不均及手工制作模型時存在誤差，削弱了試件的極限承載能力。綜合強度和結構重量及各種不可控因素，厚度為0.35 mm的竹皮材料較為適合制作此模型構件。

結構整體根據“強節點，弱構件”的原則[2]進行設計，上蓋和柱腳通過膠水粘結并用拉條相連，增強了結構的整體性。上蓋為簡單三角桁架結構，尺寸由長10 mm、寬5 mm、壁厚0.35 mm的箱型空心桿拼接而成，外側的8個節點即為對應的8個加載點；4根柱腳采用加橫梁的A字形結構，由長10 mm、寬6 mm、高400 mm、壁厚0.35 mm的箱型空心桿拼接而成，結構穩定具有較強的抗彎性能。

3.2 桿件的拼接及節點的處理

節點處的受力較為復雜，屬于結構中的薄弱環節。在實際工程中，框架結構節點的強度應大于梁柱結構，結構模型也不例外。節點設計的基本原則是：主要受力結構在節點處保持連續不截斷，次要的構件與重要構件保證連接可靠。

對于桿件之間的拼接，我們比較了幾種方法，最后采用先將桿件用竹粉進行簡單連接，類似于工程中的鋼筋混凝土之間的連接；然后采用貼竹條或用薄棉花滴膠的方式進行加固處理(如圖3所示)。此種方法操作簡單，并且使得模型節點處的剛度大大提高。

對于柱腳節點與鉚釘直接連接，可以簡化為固定端，即需要特殊加固處理。我們先將棉花墊在柱腳底部，然后放上墊片以增大接觸面積，滴入膠水后在連接節點處撒上一層竹粉來增加節點的牢固性。

4 結構受力分析

在物理模型和實物圖的基礎上，利用Midas Gen定義各桿件的單元屬性、材料特性及截面特征，按照賽題所給出的要求來定義荷載形式及邊界條件。建立模型，分析模型加載時的受力狀態并不斷地優化模型結構(見圖4)。從模擬結果看，在二三級荷載工況的作用下，A字形腿的中間部位彎矩較大，應做加固處理；三級動荷載會使桿件受力方向發生較大變化，容易發生整體性垮塌。

5 結語

隨著結構設計競賽水平的不斷提高，對參賽作品和參賽人員提出了更高的要求。一個優秀的模型作品不僅僅表現在結構選型與制作上，還對學生的創新能力、團隊合作及吃苦耐勞的精神提出了更高的要求。