大學生結構設計競賽之“八仙臺”作品結構模型的制作與分析

雷博 周學斌 夏晨陽 劉岳矗 周亞青

摘 要：全國大學生結構設計競賽是培養大學生創新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽。本次結構設計競賽題以承受多荷載工況的大跨度空間結構模型設計為主。承受多荷載工況的大跨度空間結構模型必須承受靜載，隨機選位荷載及移動荷載及多種荷載。三種載荷工況分別對應實際結構設計中的恒荷載、活荷載和變化方向的水平荷載。

關鍵詞：結構設計競賽；結構模型；模型制作；模型加載

1 賽題設計任務與分析

賽題要求設計并制作一個大跨度空間屋蓋結構模型，模型構件的布置范圍在兩個半球面之間，內半球體半徑為375mm，外半球體半徑為550mm。模型放置于加載臺上，在指定位置設置加載點。在一、二級8個點上施加豎向荷載加載過程中，通過位移測量裝置對結構中心的垂直位移進行測量，模型位移的許可值[w]=12mm。三級荷載在內圈加載點中抽簽選出1個加載點施加變化方向的水平荷載，加載點如圖1所示?？臻g桁架結構能最大限度發揮材料的承載能力，但是受壓桿的穩定性是關鍵。各個加載點和桿件連接點的局部承載能力，應充分考慮。

圖1 加載點布置圖

2 結構設計過程

2.1參考資料收集

經過調研，我們在一些模型結構上，分析其結構的受力特點，各個桿件的變形情況?？臻g網架結構由于網架結構桿件之間的相互作用，使其整體性好、空間剛度大、結構非常穩定，這種結構可以考慮。

懸索結構的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用，結構中不出現彎距和剪力效應，但懸索結構的分析設計理論與常規結構相比，比較復雜，限制了它的廣泛應用。

除以上幾種空間結構外，尚有組合網架結構、預應力網格結構、管桁結構、張弦梁結構、索穹頂結構等幾種常用空間結構，都有自身的特點和實用范圍。

2.2結構選型

根據參考資料、賽題要求及組委會所提供的材料、工具、限定的連接方式，小組成員與指導老師共同討論分析擬定設計方案。

方案以斜撐立柱作為主要受壓承載構件，盡量減小立柱的彎曲變形，所以立柱支撐點位于加載點正下方。立柱在承臺板的固定點以符合內外半球直徑限制且尺寸最短為準（留有一定的安全距離）。

田字形水平框架梁作為加載平臺，4個角點為外圓加載點（距離中心260mm）4個內圓加載點在田字框十字梁上，距離中心150mm 處；在斜撐柱上增加8個拉索，對結構起到穩住保護作用。

2.3 結構定型

定型方案如圖2所示。

本隊設計的結構由三部分組成。第一部分是柱。支撐加載點的斜承柱有兩種：10*10*555mm（長柱）和10*10*500mm（短柱）。橫截面為10*10mm壁厚為1.1mm的方形空心管。用兩層0.50mm的竹皮粘接而成。

長柱4根與水平的的角度為54度，支撐內圓加載點；短柱4根與水平的的角度為64度，支撐外圓加載點。

第二部分是由田字形水平框架梁?？蚣艹叽鐬?70*370mm， 梁的橫截面為10*10mm壁厚為1.1mm的方形空心管。用兩層0.50mm的竹皮粘接而成。

第三部分為拉索，長度為620mm，截面為0.35*10mm的竹皮。

3 構件制作與結點處理

3.1竹管制作

確定空間跨度為940mm，高度為450mm。在0.5mm的竹皮上，進行下料，量取需要的長度和寬度，粘接竹皮的方式為5+3，首先裁5片竹皮的寬度，用刀子在竹皮上輕輕劃出一條裂縫，不必切斷，然后用膠水粘結截面為正方形的空心管。在貼第二層時，把剩下裁開的3條，依次用膠水粘結在只有一層竹管的表面（保證膠水無縫隙的連接兩片竹皮），待粘結牢固后，用竹粉填充片與片之間的空隙，以增加竹管的強度。

3.2節點處理

使用竹粉（可以增加結點連接的密實性）在連接處用膠水粘結，在平臺的十字管節結點，采用兩個分管粘結在一個主管上，同時撒上竹粉，滴入膠水，同時在上下兩面使用0.5mm的竹片連接兩個分管，以增強粘結的牢固性。外框的結點連接處，以及外框與十字架的連接部位采用同樣的方法，此外將10*10*394mm的兩根空心管兩端使用0.5mm的竹片進行封口。0.5mm的竹皮將柱的口封住，留一端粘結的竹片大一些，方便結構固定在承臺板上，在柱與平臺梁的連接處使用加入竹粉粘接，竹粉可以使連接柱與梁的接觸面積增大，還增大了節點的密實性，起到了穩固、保護作用。

圖2 三級加載位移

4實驗加載驗證

首先進行一級加載，分別在8個加載點上放置5.1kg的砝碼，無明顯變形、扭轉現象，位移下降1mm左右，強度足夠，安全系數很大；進行二級加載，在八個加載點上分別加上2.55kg+1.275kg的砝碼，位移下降2～3mm，且無明顯扭轉變形現象，水平剛度足夠，跨中撓度很?。辉谌壖虞d中，使用拉力計，在內加載點的一點，手動施加水平拉力，左右轉動角度，水平拉力為7kg，安全承載，總共承載74kg，相比于一、二級加載的滿載64kg，超載10kg，穩定性系數很高。

5 結語

綜上所述，在賽題的要求下，隊員們齊心協力，收集資料，選型，在此基礎上再不斷地探索與優化，節點部位的處理，使模型趨于完善。在省賽上，此大跨度空間結構順利通過三級加載：一級滿載40kg，二級滿載24kg，三級滿載8kg。達到賽題最大的加載量，在一定程度上符合了工程標準。

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作者簡介：

雷博（1987），指導老師，男，籍貫：陜西西安，民族；漢，職稱：助教，學歷：碩士研究生，研究方向：土木工程.