結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課程教學(xué)的結(jié)合與實(shí)踐

朱嘉 李紅 李燕

摘? 要 基于鋼結(jié)構(gòu)原理知識(shí)對(duì)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，制作兩個(gè)空間結(jié)構(gòu)模型做對(duì)比分析。通過“鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)與競(jìng)賽實(shí)踐的結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，同時(shí)提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽;鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì);空間結(jié)構(gòu);競(jìng)賽賽題

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）14-0085-03

Combination and Practice of Structural Design Competition and

Steel Structure Principle and Design//ZHU Jia， LI Hong， LI Yan

Abstract Analyzes the structural design competition task based on the steel structure principle. And makes two spatial structure models for comparative analysis combined with the steel structure design idea. Through the combination of Steel Structure Principle and De-sign and competition practice. It not only deepens the students under-

standing of the course content， but also improves the quality of per-sonnel training.

Key words structural design competition; principle and design of steel structure; space structure; competition task

1 前言

鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)[1]是土木工程專業(yè)本科重要的專業(yè)課之一。其中，原理部分熟悉鋼結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件（軸壓、受彎、壓彎構(gòu)件），從強(qiáng)度、穩(wěn)定角度了解其受力性能，同時(shí)要掌握常見的螺栓、焊接連接形式;設(shè)計(jì)部分是在原理基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)整合，熟悉常見的門式剛架、鋼框架、鋼桁架的受力形式。

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽[2]是教育部認(rèn)可的大學(xué)生A類學(xué)科競(jìng)賽，由教育部和中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦，國(guó)內(nèi)各高校輪流承辦。競(jìng)賽以竹條、膠水、棉線為主要原材料[3]，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出符合要求的結(jié)構(gòu)體系，能夠承載賽題要求的外荷載，同樣承載能力下結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量最輕的作品獲勝。結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與制作過程，與實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)體系從受力形式、破壞形式等角度均有較多相似之處。把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課程教學(xué)相結(jié)合，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)原理知識(shí)的理解，貫徹了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的實(shí)踐。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題分析

賽題要求? 以第十二屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題“大跨度空間結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作”為例[2]，競(jìng)賽要求參賽選手在八小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與制作。模型構(gòu)件允許的布置范圍為兩個(gè)半球面之間的空間，如圖1所示。外半球體半徑為550 mm，內(nèi)半球體半徑為375 mm，模型跨度及高度范圍要求在750～1100 mm范圍內(nèi)。

模型加載點(diǎn)投影如圖1紅點(diǎn)所示。模型固定于加載裝置上，通過掛鉤在指定八個(gè)點(diǎn)上引垂直鋼絲加40 kg+24 kg砝碼的方式模擬豎向荷載作為一、二級(jí)加載;指定節(jié)點(diǎn)上引出鋼絲繩，通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝置施加20 kg的水平荷載作為三級(jí)加載。

比賽模型制作材料為竹片、竹條。竹片長(zhǎng)寬厚規(guī)格為1250 mm*430 mm*0.5 mm。竹條類型分三種，相關(guān)尺寸規(guī)格為900 mm*60 mm*1 mm（2 mm/3 mm）。竹材與鋼材均屬于彈性材料，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

賽題分析? 該賽題以大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)為模擬對(duì)象，其中一、二級(jí)加載為豎向荷載模擬鋼結(jié)構(gòu)工程中的恒荷載，三級(jí)加載為水平荷載模擬鋼結(jié)構(gòu)工程中的風(fēng)荷載或地震力。選題具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和工程針對(duì)性。

3 鋼結(jié)構(gòu)原理在比賽中的應(yīng)用

構(gòu)件類型的應(yīng)用? 鋼結(jié)構(gòu)原理中把受力構(gòu)件按照不同受力形式分為壓、拉、彎、壓彎四大類構(gòu)件，這些受力構(gòu)件在結(jié)構(gòu)競(jìng)賽模型設(shè)計(jì)中均有廣泛運(yùn)用。學(xué)生理解了這些構(gòu)件的基本受力公式，在結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中更能了解每根桿件的受力性能及在體系中的作用。比如對(duì)于受壓桿件，通過設(shè)置側(cè)向支撐的方式減小計(jì)算長(zhǎng)度，提高受壓性能，而不是無限制地放大截面。

截面選型? 常見鋼結(jié)構(gòu)截面分為工字形、箱形、L形等形式。結(jié)構(gòu)競(jìng)賽的主要用材為竹條，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)原理，把這些竹條也同樣做成工字形、箱形、L形截面。通過分析不同截面形式的竹材的截面特性，對(duì)于主受力構(gòu)件采用雙軸對(duì)稱截面，次要構(gòu)件采用單軸對(duì)稱截面。

加勁肋的應(yīng)用? 鋼結(jié)構(gòu)、竹材結(jié)構(gòu)均屬于薄壁結(jié)構(gòu)。為了控制板件的局部穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽也引入了鋼結(jié)構(gòu)中的加勁肋概念。把2 mm*2 mm的竹條切成小構(gòu)件，作為加勁肋鑲嵌到主受力桿件中，充分發(fā)揮主受力構(gòu)件材料性能，盡量避免穩(wěn)定破壞發(fā)生在材料破壞前。

4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在比賽中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型? 選型Ⅰ（圖2）以三根1 mm*6 mm竹片組成鋼結(jié)構(gòu)中常見的U型截面，作為豎向受力構(gòu)件截面形式，截面腹板內(nèi)嵌竹片作為加勁肋。設(shè)四個(gè)豎向受力構(gòu)件，八根2 mm*2 mm的竹條模擬鋼索作為輔助受拉構(gòu)件。頂部根據(jù)受力點(diǎn)設(shè)200 mm*200 mm正方形托盤。正方形托盤與豎向構(gòu)件通過三角形桁架傳力。受壓構(gòu)件僅通過四個(gè)支點(diǎn)與平臺(tái)連接，類似于空間結(jié)構(gòu)中的柱腳鉸接。

選型Ⅱ（圖3）以三根1 mm*6 mm竹片組成鋼結(jié)構(gòu)中常見U型截面，作為豎向受力構(gòu)件截面形式;參照格構(gòu)式鋼構(gòu)件原理，設(shè)兩個(gè)分肢，兩兩通過2 mm*2 mm桿件做成格構(gòu)式構(gòu)件。頂部根據(jù)受力點(diǎn)設(shè)200 mm*200 mm正方形托盤，托盤內(nèi)設(shè)米字形支撐。正方向托盤與豎向構(gòu)件通過八根H形截面桿件，組成三角形空間結(jié)構(gòu)。水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件匯交到一個(gè)點(diǎn)，豎向構(gòu)件與平臺(tái)板通過八個(gè)支點(diǎn)連接，類似于空間結(jié)構(gòu)中的柱腳剛接。

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。選型Ⅰ自重135 g，選型Ⅱ自重120 g，均順利通過滿載84 kg的加載。

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析? 采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的分析軟件midas Gen對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。桿件采用梁?jiǎn)卧夂奢d以節(jié)點(diǎn)荷載形式輸入，根據(jù)竹材的彈性模量和密度按實(shí)輸入材料特性，支座連接按固結(jié)考慮。從軸力分析結(jié)果（圖4、圖5）看出，在外荷載作用下，結(jié)構(gòu)體系受力均勻，傳力明確。

5 結(jié)語

1）結(jié)構(gòu)競(jìng)賽體系選型與鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)知識(shí)有較大的關(guān)聯(lián)性，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)原理知識(shí)的理解，貫徹了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想在比賽中的應(yīng)用。

2）結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行力學(xué)分析，讓學(xué)生在模型制作之前了解結(jié)構(gòu)體系的受力分布，增強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的認(rèn)知。

3）加強(qiáng)專業(yè)課教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽的聯(lián)系，真正做到寓賽于教，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的感性認(rèn)知，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。■

參考文獻(xiàn)

[1]董軍.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]關(guān)于舉辦“富力杯”第十二屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的通知[EB/OL].[2018-08-21].http：//www.ccea.zju.edu.cn/structure/2018/0820/c14656a846483/page.htm.

[3]李俊華.林云 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作與分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.