結構設計大賽研究之芻議

姜 影, 李華東, 2

(1. 四川師范大學工學院， 四川成都 610101; 2. 西華大學土木建筑與環境學院, 四川成都 610101)

四川省結構競賽組委會開創大賽目的是調動大學生對結構力學、材料力學、高層建筑結構、大跨度網狀結構、橋梁工程等基礎知識的綜合應用，彌補土木工程類大學生缺少創造性，動手能力弱，團隊協作意識欠缺等短板[12]。早期有馬宏亮、劉曉紅等人對模型設計中選型的研究[13]，劉承斌、張海生等競賽材料性能試驗[14-15]，周克民等對結構的優化分析[16]，也有顧凌赟、徐龍軍、楊燈等對全國大學生結構設計大賽賽題研究與探索[17-19]。針對四川省結構大賽近五屆賽題研究卻沒人開展。四川省結構競賽，對培養西南高校學生創新思維、創新意識和合作精神，培養學生創新設計能力、綜合科技能力和工程實踐能力等方面發揮著重要作用[20]。

1 結構設計大賽簡介

1994年，清華大學土木系開創了結構設計大賽的先河，至今結構設計競賽已遍及全國各省市，乃至全亞洲級別的結構設計大賽，成為高校土木類學生的一項重要課外活動[1-2]。

2014年第一屆四川省大學生結構設計競賽：大跨空間結構模型制作與沖擊荷載測試；2015年第二屆四川省大學生結構設計競賽：塔吊模型制作與承重測試；2016年第三屆四川省大學生結構設計競賽：大跨度空間網絡結構模型；2017年第四屆四川省大學生結構設計競賽：無風撐桁架橋梁；2018年第五屆四川省大學生結構設計競賽：巨型框架模型。

2 四川省結構設計大賽歷年賽題對比

2.1 五屆結構設計競賽相同點

(1)競賽背景：四川省結構設計大賽的命題一般源于生活，依據四川區域特點，日常出現的不安全事件而測定該屆競賽主題，運用所學專業知識，滿足相應的承載力要求，盡量使結構輕巧高效。隨著結構設計大賽的開展以及我國土木類本科生教學水平的提高，為培養學生研究性、自主性、創新性，題目難度越來越具挑戰性，要求學生的分析、設計能力也要不斷提高[3]。

(2)賽題總說明：都會采用示意圖形式呈現，包括加載裝置、模型安裝平臺(尺寸限制等)、測量工具(精度要求)、實驗輔助系統等。

(3)模型材料與制作工具：相同。

(4)安裝加答辯。

2.2 五屆結構設計競賽不同點

(1)結構形式：有四屆明確在賽題詳解中規定了結構形式(桁架結構)，而第二屆是制作塔吊模型，它屬于拉、壓、扭聯合作用的構件，所以沒做明確說明其結構形式。

(2)評分標準：都是100分制，但分值劃分占比不同；分值比重大的都劃分給加載表現上，但每屆賽事計算公式都偏向于在滿足承載力要求范圍內，模型質量越輕，整個計算得出分值越高。

(3)計算書。

3 材料特性

竹皮(參考值：彈性模量1.0 ×104MPa，抗拉強度60 MPa)，極限荷載與試件寬度關系。

多層復合的竹皮材料，不均勻性較為嚴重，使用時盡量挑選竹節相對較少，材質較均勻的。在寬度和長度等同條件下，竹皮實驗試件的極限承載力隨寬度的增加而增大，呈線性相關[4]。0.35 mm厚度試件增長趨勢較穩定，承載力具有較強的上升空間，而0.2 mm和0.5 mm厚度試件寬度增加到5 mm以上之后，增長趨勢明顯放緩，承載力上升空間不佳。且0.35 mm竹皮的節點缺陷相對較少，最適合制作拉索構件[5]。

極限承載力隨著厚度增加而增大，其增長幅度呈上升趨勢。實驗對常海林等人提出的受拉構件極限承載能力Pu與構件寬度D的關系擬合公式(表1)進行驗證，可供后期參賽人員構件寬度設計提供參考。

4 結構選型

結構選型[6]決定了整個設計大賽勝負，好的結構形式擁有先天性的優勢。在早期的初步選型之后需進一步優化，此時要進行理論計算，可用結構和力學知識手算，也可用輔助計算軟件(Midas、Ansys)等進行計算機仿真[7]。Ansys存在圖形界面操作復雜，模型檢查不方便，命令流語句冗長，出錯后不易找出命令語句錯誤的地方。Midas用戶界面友善，操作直觀。總的講Midas采用荷載結構模型計算結構內力整體比Ansys計算結果大[8-9]，但即學即用，更適合本科生學習。

表1 竹皮材料極限承載力與試件寬度關系

5 模型制作

5.1 截面選擇

在競賽模型設計中，截面選擇和截面尺寸直接影響薄壁桿件的力學性能，圖1為最常見最基本的薄壁截面形式。

圖1 薄壁截面形式

假定上部受拉、下部受壓，截面選擇一般規律如下：

5.2 節點處理

節點連接方法分三類：(1)既美觀又輕便的方式，桿件自身處理形成節點，但手工要求高且制作難度大；(2)通過嵌入或連接件連接，較美觀，但桿件連接處應力集中存在較大的接觸應力；(3)直接打磨桿件致粗糙，膠水直接連接后，外側采用小蒙皮包裹，美觀度較差，但受力性能滿足要求。

6 比賽開題時間建議

對于每屆四川省結構設計競賽而言，各高校組織學生開題時間建議為正式參賽前三個月。第一月：組織校內大學生積極參與，做好前期招攬賢才的宣傳活動，且安排負責人和指導教師，準備學校預賽實驗器材和材料選取與采購；第二月：校內小組自我研究與模型結構摸索；第三月：校內比拼，最優隊伍前期再實驗與小組參賽推薦人的確定，確認最終參賽模型，制定計算書等工作。

7 結論

對四川省五屆結構大賽賽題進行對比，提出相同點和不同點；對比賽材料特性進行分析，選擇使用尺寸最優化得推薦參考；有限元分析軟件對于大學生和比賽性質就事而論的優缺點，明確結構選型和截面分析，更易精確截面選擇；提出高校賽題開題時間規劃和建議為后期結構設計競賽做參考。