結構設計競賽的備賽過程及教學效果
——以拱形竹質結構模型設計分析與制作為例

韓愛紅 程遠兵 肖嘉辰 陳記豪 楊清華

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

0 引言

河南省第九屆大學生結構設計競賽以大跨度空間結構為背景，通過方案設計、分析計算、模型制作、現場答辯和加載試驗等系列過程，以達到培養大學生的實踐能力、創新精神和團隊意識，為創新人才的培養提供一個很好的平臺[1]。本文從結構選型、荷載傳遞分析和結構模型設計、細部構造和模型制作等備賽的各個方面進行了系統闡述，為結構模型設計提供參考。

1 結構選型

在滿足承載力前提下，盡量減輕模型的重量，結構選型時，需要遵從以下原則[2-4]：

（1）主要受力構件或子結構布置在加載點處，以達到傳力直接、傳力途徑短的目的。

（2）節點連接牢固，做到強節點強錨固。

（3）桿件截面受力均勻，剛度易于控制，由于有沖擊荷載和撞擊動荷載，因此模型的剛度應有一個合適的值，不易剛度太大，從而避免硬碰硬導致結構損傷。

（4）穩定性好。采用了柔性拉條來控制主要節點的位移，提升結構的整體穩定性。

（5）模型簡潔，便于制作。

結合結構選型原則，考慮到結構模型材料性能和結構荷載的特點，初步選擇了四榀橫向剛架和縱梁的模型方案（見圖1），模型重量200 g左右。為降低模型重量，把四榀橫向剛架優化為兩榀橫向剛架，減少了桿件數量，極大地降低了模型重量，最終模型重量125 g左右，有效地提高了結構承受荷載與模型重量的比值（荷重比），實現了結構模型承載能力高、剛度合適、質量輕的目標，優化后的結構模型如圖2所示。

圖1 最初模型（實體圖）

2 荷載傳遞分析和結構模型設計

2.1 結構模型設計

結構模型整體由縱向主桁架，兩榀橫向主剛架，獨立柱和拉條等四部分組成，模型的俯視圖。

2.1.1 縱向主桁架

縱向主桁架在一級荷載工況下為單跨兩端外伸梁，一級荷載加載點分別作用于跨中及兩端外挑部分。二級荷載時，縱向主桁架起到緩沖和向遠端傳力的作用，同時維持結構整體穩定。三級荷載時，縱向主桁架可承擔部分結構整體扭矩。

圖2 最終模型（實體圖）

2.1.2 橫向主剛架

此橫向主剛架為兩榀，分別由6 mm×10 mm的主剛架拉區和8 mm×12 mm的主剛架的壓區斜腿半剛架組成，下部通過拉條來限制剛架節點的相對變形。此橫向主剛架位于三級荷載的作用面內，主要抵抗三級荷載；在一級二級荷載時，支承縱向主桁架，并將荷載傳遞給底板。

2.1.3 獨立柱

在端部鋼板的下掛點處設置，共四個，獨立于主體結構，主要抵抗二級荷載。

2.1.4 拉條

根據變形控制需要設置的拉條。

2.2 細部構造

（1）構件均設內波紋肋的矩形空心截面，以獲得較高的承載力和局部穩定性。構件節點均采用局部貼片加強連接，以提高節點剛性。

（2）一級荷載加載點采用竹皮吊環懸掛，同時能起到二級、三級荷載時的搖擺減震緩沖作用。

（3）二級和三級荷載的沖力較大，在主桁架二級荷載加載點和三級荷載加載點處設置緩沖圈。

（4）獨立柱柱頂滑槽、緩沖圈和蒙皮結構。獨立柱在二級加載時產生的剪力非常大，因此在獨立柱外側貼一層竹皮板（蒙皮板），起到耗能和提升側向剛度的作用。

2.3 模型制作

模型制作過程中，需要特別注意以下幾個方面：

（1）竹皮材料的基本性能介紹和外觀檢查，選擇好的桿件原材料是最基礎的，切忌選擇竹節多的竹皮，一般采用0.5 mm厚的竹皮做受力構件，0.35mm厚的竹皮做拉條，0.2 mm厚的竹皮做構件的外部環繞加強比較合適。

（2）竹皮的裁剪和打磨，拉條的制作。

（3）直桿竹皮構件制作方法（內部加橫向墊片、縱向墊片、波紋片），制作完成后外部可以環箍加強或者螺旋箍加強。

（4）斜桿竹皮構件制作方法（斜角的處理：一種是直桿切角打磨；一種是竹皮切角后拼裝打磨），制作完成后外部可以環箍加強或者螺旋箍加強。

（5）各種耗能構件的制作（吊環，緩沖圈，蒙皮板）。

（6）桿件的拼裝，僅僅通過502膠粘一般不能保證節點的黏結強度，建議：局部粘貼竹皮加強或局部用磨細竹粉加強。

（7）模型底板安裝，該模型的撞擊力很大，務必保證模型與底板的黏結，本模型采用增大接觸面來保障。

（8）繩扣的綁法，本次競賽，棉線繩扣可以減緩三級荷載的沖擊，采用雙股繩扣和內外繩扣相結合，非常有效。

（9）注意加載時的小技巧，比如：一級鋼球加載的順序易對稱；二級鋼板盡量前傾；三級剪斷線繩順序等等，都值得實踐和摸索。

3 結語

本次競賽對學生掌握所學理論知識和訓練交流協作能力有很大的幫助，能夠充分調動學生們的主觀能動性，做到了寓教于樂。結構設計競賽可與結構力學等課程考核相結合，改變以前單一、枯燥的考核形式，真正實現“以賽帶教，以賽促學”的目的，使學生靈活運用專業知識，提高學生的創新意識、動手能力、團隊協作及交流能力。