裝配式輸電塔結(jié)構(gòu)模型設計中的選型與設計
——以2019 年浙江省大學生結(jié)構(gòu)設計大賽賽題為例

盧巧玲LU Qiao-ling

（浙江廣廈建設職業(yè)技術大學，東陽 322100）

0 引言

大學生結(jié)構(gòu)設計競賽對培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、團隊合作精神，提高大學生的創(chuàng)新設計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)作用顯著，已成為大學生素質(zhì)教育和課外科技活動的一項重要內(nèi)容[1]。結(jié)構(gòu)模型設計通過構(gòu)筑結(jié)構(gòu)實體模型并對模型結(jié)構(gòu)進行模擬加載，從中找出結(jié)構(gòu)缺陷并完善結(jié)構(gòu)設計，從而達到對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。以竹材結(jié)構(gòu)進行實驗最易于獲得和實現(xiàn)，Midas 軟件最易于進行結(jié)構(gòu)計算和分析（以梁單元為主）。結(jié)構(gòu)選型的更替過程反映出結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程的合理性、科學性和可行性，由受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)化為受拉構(gòu)件，由綜合受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵问芰顟B(tài)。本文以2019 年浙江省大學生結(jié)構(gòu)設計大賽的賽題“裝配式輸電塔結(jié)構(gòu)設計與模型制作”為例。

1 結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)形式有剛架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、混合空間結(jié)構(gòu)等多種形式，每種結(jié)構(gòu)形式都有其各自的適用范圍及各自的特點和不足，所以要結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設計的具體情況進行結(jié)構(gòu)選型[2]。針對本賽題“裝配式輸電塔結(jié)構(gòu)設計與模型制作”，我們從結(jié)構(gòu)和載荷及荷載的靜動態(tài)加載和靜動態(tài)反應的內(nèi)容進行了分析，選用的是桁架結(jié)構(gòu)。

1.1 結(jié)構(gòu)形式

我院參賽的模型采用裝配式空間桁架結(jié)構(gòu)，模型的上部采用高度為220mm 的桁架結(jié)構(gòu)，模型下部采用高度為780mm 的以四根格構(gòu)柱為主體的空間桁架結(jié)構(gòu)。在整個模型的設計中，主要是上部結(jié)構(gòu)做了多次修改，主要有以下三種結(jié)構(gòu)形式。

1.2 上部結(jié)構(gòu)不同選型對比

1.2.1 選型1

上部結(jié)構(gòu)高度220mm，采用豎向剛度與水平剛度較大的梁。（如圖1）

圖1 水平剛度足夠大的梁

此種結(jié)構(gòu)，上部的梁要有足夠的剛度，才能保證加載時梁的抗壓和抗彎，這就要求梁的截面要足夠大，因為用材增加，模型的重量也比較大。

1.2.2 選型2

上部結(jié)構(gòu)采用5×5mm 正方形截面的柔性梁，其上面、前面和后面增加中間支出80mm 的拉索對柔性梁進行加固，目的是用柔性梁的變形來減弱整體結(jié)構(gòu)的變形。（如圖2）

圖2 柔梁加拉索

此種情況，我們設計的思路是允許允許“柔梁”發(fā)生變形，但只是一點點變形，當梁要產(chǎn)生大變形時，三面的拉索就繃緊，巧妙地將荷載傳遞到拉索上面，充分發(fā)揮竹材的抗拉能力，以此來減小梁的截面，在保證承載不變的前提下減輕上部結(jié)構(gòu)自重。

1.2.3 選型3

上部結(jié)構(gòu)中的5×5mm 正方形截面的柔性梁和附加的體系用一根長度為600mm 的只產(chǎn)生拉伸變形的細桿替代，與之連接的有兩根近似紡錘體的壓柱和兩根僅受拉伸2×2mm 截面的拉索連接，比中間模型中上部結(jié)構(gòu)中的柔性梁部分大幅減重，并取得更強的上下結(jié)合結(jié)構(gòu)的整體性。（如圖3）

圖3 實際效果圖

此種情況下，改變了前面兩種設計中梁要抗壓和抗彎的作用效果，改變了荷載的傳遞路徑，只要求梁抗拉就可以了，同時解決了前面兩種設計中梁下部連接節(jié)點在一級加載時偏載作用下容易崩裂開的問題，加載點直接把荷載傳遞到下部的紡錘體柱，結(jié)合四根拉索，解決了偏載時節(jié)點易破壞的問題，同時大幅減輕了上部結(jié)構(gòu)自重，結(jié)構(gòu)更加簡潔，模型制作起來也省時省力。此種設計，梁上的荷載由抗壓和抗彎轉(zhuǎn)變?yōu)榭估浞职l(fā)揮了竹材抗拉的優(yōu)勢性能，物盡其用，這才是結(jié)構(gòu)設計的魅力所在。

模型的構(gòu)建運用midas 三維模型構(gòu)筑軟件建立立體模型圖，通過軟件模擬加載分析模型的受力狀態(tài)，在盡可能節(jié)省材料的前提下對模型局部做加強處理，保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)“輕質(zhì)高強”[3]。表1 中列出了3 種選型在相同荷載下最大內(nèi)力、最大主應力和最大位移對比分析。表2 中列出了3 種選型優(yōu)缺點比較。

表1 相同荷載下的最大內(nèi)力、最大主應力和最大位移比較表

表2 選型優(yōu)缺點比較表

綜合對比，根據(jù)三類選型的綜合分析和設計指標，最終選定選型3 為參賽方案。

2 內(nèi)力分析

2.1 第一級荷載作用

經(jīng)過分析，輸電塔結(jié)構(gòu)的軸力圖如圖4（a）所示，輸電塔結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖4（b）所示。

圖4 第一級荷載作用下的內(nèi)力圖

由內(nèi)力分析結(jié)果可以得知：在第一級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最大的軸力值為228N，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)的底部；在第一級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最小的軸力值為-333N，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)的底部。在第一級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最大的彎矩值為1250N·m，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)裝配處；在第一級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最小的彎矩值為-2010N·m，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)裝配處。

2.2 第二級荷載作用

經(jīng)過分析，輸電塔結(jié)構(gòu)的軸力圖如圖5（a）所示，輸電塔結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖5（b）所示。

圖5 第二級荷載作用下的內(nèi)力圖

由內(nèi)力分析結(jié)果可以得知：在第二級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最大的軸力值為184N，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)的底部；在第二級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最小的軸力值為-348N，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)的底部。在第二級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最大的彎矩值為1311N·m，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)裝配處；在第二級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最小的彎矩值為-1795N·m，發(fā)生在輸電塔結(jié)構(gòu)裝配處。

3 變形分析

3.1 第一級荷載作用

經(jīng)過分析，輸電塔結(jié)構(gòu)的變形情況如圖6 所示。

圖6 第一級荷載作用下變形圖

由變形分析結(jié)果可以得知：在第一級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最大的變形值為16.8mm，發(fā)生在輸電塔的頂部。

3.2 第二級荷載

經(jīng)過分析，輸電塔結(jié)構(gòu)的變形情況如圖7 所示。

圖7 第二級荷載作用下變形圖

由變形分析結(jié)果可以得知：在第二級荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)最大的變形值為26.5mm，發(fā)生在輸電塔的頂部。

4 承載力分析

根據(jù)竹材順紋抗拉強度60MPa，抗壓強度30MPa，經(jīng)過計算，其主要桿件的應力如表1 所示。

表1 輸電塔結(jié)構(gòu)主要桿件應力

綜合輸電塔結(jié)構(gòu)在第一級、第二級荷載作用下的內(nèi)力和變形分析，可以得到方案3 設計的輸電塔結(jié)構(gòu)可以承受第一級和第二級荷載作用。

5 連接形式

模型要求采用裝配式結(jié)構(gòu)，連接主要分為裝配式整體連接和局部節(jié)點連接。

5.1 裝配式整體連結(jié)方式

上下部分的連接方式，采用榫卯結(jié)構(gòu)，榫卯是榫頭和卯口相互咬合、搭接而形成的一種連接形式。“榫”是構(gòu)件凸出的部分；“卯”是構(gòu)件凹進去的部分，也稱為“榫眼”。模型的下部空間桁架結(jié)構(gòu)頂部的柱頂預留出足夠長度的榫與上部相應部分的卯采用中國木質(zhì)建筑通常的卯榫結(jié)構(gòu)連接，并考慮結(jié)構(gòu)的荷載是從上部桁架結(jié)構(gòu)向下傳遞，故在四根柱上相應位置留出用竹片制作的“摁扣”，以保證上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連接的整體性，同時也保證荷載從上向下傳遞的連續(xù)性、可行性和可靠性。

5.2 局部連結(jié)方式

在空間桁架體系的各個構(gòu)件聯(lián)結(jié)均采用桿件末端提前切割角度，最后進行拼接，桿件的縫隙間用竹粉進行填充，以保證各個節(jié)點均成為理想的剛節(jié)點。

5.3 格構(gòu)柱內(nèi)格點聯(lián)接方式

格構(gòu)柱內(nèi)按照等距格構(gòu)布置，以增加抗剪能力和提高穩(wěn)定性外在節(jié)點處增加格構(gòu)塊的長度，突出體現(xiàn)“強柱弱梁、強剪弱彎、強化節(jié)點、強化聯(lián)結(jié)”的結(jié)構(gòu)特點。

5.4 有效措施

①對重要主體柱的柱體采用“L”形“等邊角鋼”型格構(gòu)形式，既減輕了重量，又保證了結(jié)構(gòu)橫截面整體的慣性矩為最大值，從而最大限度地降低模型危險截面最大工作應力。②對加載點臨近的受壓桿件，采用“紡錘體”形狀的結(jié)構(gòu)形式，既減輕了重量，又保證了壓桿的穩(wěn)定性。③在上部最初的“柔梁”和拉索加勁帶的基礎上，將受載荷作用后產(chǎn)生彎曲變形的構(gòu)件，轉(zhuǎn)換為上部的受載后只產(chǎn)生拉伸變形的構(gòu)件，進而使上部結(jié)構(gòu)的重量大幅度地降低。④在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接的位置采取增加承臺長度的作法，從而降低“紡錘體”壓桿的長度，進一步提高其穩(wěn)定性和減輕重量。⑤在“紡錘體”的端部，增加一根細小的起抗拉作用的拉條，有效的解決了一級加載時這個節(jié)點受拉破壞的問題。⑥在主體柱下部沿加載面設置四根小拉帶，有效的解決了二級加載時偏載作用結(jié)構(gòu)容易發(fā)生受扭破壞的問題，能起到加強底部強度和剛度的關鍵作用。

6 結(jié)構(gòu)分析總結(jié)

該設計充分考慮實體結(jié)構(gòu)的特點以及材料的性能，在充分滿足功能的前提下，保證結(jié)構(gòu)在一定的荷載作用下不發(fā)生破壞，同時力爭荷載與模型自重的比值最大，綜合這幾方面的考慮，對模型進行了優(yōu)化，并利用給定模型材料的特點，竹條要充分利用其抗拉能力，膠水連接硬化后屬于剛性節(jié)點，所以在結(jié)構(gòu)中要充分利用材料的力學性能。在整體結(jié)構(gòu)中，要考慮到梁與柱受力的不同，要根據(jù)其破壞的特點，對每根桿件進行設計。利用Midas 三維模型構(gòu)筑軟件建立立體模型圖，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模型的特點，確保模型破壞前荷重比達到最大。