“新工科”背景下結構設計大賽對大學生創新設計能力的培養＊

馬法榮，李東，吳敏龍，賴治強，李宗娟，魏婷婷

（河西學院土木工程學院，甘肅張掖 734000）

近年來，隨著新一輪國家科學技術創新研究戰略計劃課題的正式實施，中國理工科高等學校在人才培養層次方面上的具體要求也要隨之進行改變，由原來簡單的培養只要求本科生可以較好扎實地全面掌握有關本專業方向技術的科學基本和理論基礎知識轉變為將本科生培養成高級應用型科學技術創新拔尖人才，把應用型創新高層次人才隊伍的重點培養放到了一個很重要位置[1]。同時由于國家戰略和當代社會經濟對高層次土木工程專業復合型人才隊伍的總體需求也逐步做出了一個相應時期的優化調整，經過長期的辦學實踐探索，土木類專業創新人才培養目前已開始過渡進入到真正以重點培養復合應用型技術專業創新人才為辦學目標導向的培養階段[2]。

復合應用型技術專業創新人才培養[3-5]要求應基本具備系統、完整、全面的工程知識結構體系框架和相對良好的工程技術綜合素質。完整的課程知識結構體系一般由扎實的基礎理論知識和前沿科技的專業新技術構成，二者結合是正確培養學生科技創新思維素質的主要前提條件；良好全面的個人綜合道德素質主要包括有報效國家的家國情懷、服務奉獻社會的道德思想、團結進取合作創新的團隊精神以及堅守工作崗位的健康體魄，這是提高學生持續具備技術創新素質能力素養的重要保障。雖然當前常規的模塊化教學體系已能夠保證學生進行理論內容和專業技術層面上的學習，但如何在實踐中培養學生的獨立創新思維、提高學生自身的動手創新以及應用能力，仍是中國當前應用型高校培養復合應用型人才所面臨的挑戰[6]。

因此，高校本科生教育體系應進一步將如何優化培養大學生知識結構體系和青年大學生創新綜合應用素質提升作為未來培養創新型復合和應用型高素質創新拔尖人才體系的重要抓手，加大學生在創新能力方面的培養力度。故本文以甘肅省第四屆大學生結構設計競賽為學科背景，訓練河西學院土木工程學院學生的綜合創新能力、操作能力和創新思維。結構設計競賽會使學生們在完成設計模型的同時，提高他們的動手能力、實踐能力，鍛煉他們團隊合作和吃苦耐勞的精神。而這一特點與新時代培養復合應用型創新人才的需求非常契合。

1 設計說明

1.1 方案構思

以甘肅省第四屆大學生結構設計大賽題目為參考，題目要求設計結構在滿足尺寸要求的同時也滿足結構三級加載的要求，其中第一、二級加載為靜力加載，對應模擬測試橋梁在不對稱荷載作用下的靜承載能力，主要測試結構和構件的抗壓與抗拉承載能力。三級加載為動荷載加載，在靜載基礎上進行橋梁動載測試，測試結構的抗沖擊性能。此外還要求結構具有良好的穩定性能，避免主要結構構件破壞和撓度超出允許范圍。

1.2 結構方案

對于本次的設計，經查閱多方資料后，分別考慮提出斜拉橋、梁式橋、拱橋和桁架橋4 種橋型作為初步設計方案。

斜拉橋作為大跨度跨海橋梁來講，對構件剛度要求高，用集成竹皮強度恐無法達到，并且制作復雜，難度大，因此不做考慮。梁式橋有較好承載彎矩的能力，也可以很好地控制使用中的變形，但橋梁的穩定性問題突出，無法有效控制橋梁的扭轉變形和偏心作用，因此梁式橋也不做考慮。拱橋最大主應力沿拱橋曲面作用，沿拱橋垂直方向最小主應力為0，可以很好地控制橋梁豎直方向的位移，但其自重較大，在豎向荷載的作用下會產生水平推力，所用桿件材料用料多、自重大，結構不能協調受力，且設計復雜、計算煩瑣，因此拱橋也不做考慮。桁架橋具有比較好的剛度，腹桿既可承拉亦可承壓，同時也可以較好地控制位移，造型美觀，跨越能力較大，相比之下，最終方案選定為桁架橋模型，如圖1 所示。

圖1 桁架橋模型圖

在確定最終的結構方案之前，做了多次嘗試，每一次都是在前一個模型的基礎上，針對其受力性能和破壞模式進行相應的優化，以使最終的結構最優。在方案設計過程中，需注意到以下5 點：①根據賽題規則，模型需要滿足規定的承載能力和位移要求；并且模型受力性能的優劣是以單位承載力的高低進行區分的，故應盡可能減輕結構質量，提高材料利用率。②模型所承受的第一級和第二級荷載是非對稱分布的靜荷載，第三級荷載為動荷載，這就對結構的空間受力性能提出了更高的要求，尤其是在變化的水平荷載作用下，結構應具有足夠的抗扭轉能力。③由于模型加載是在指定的8 個點上施加集中力，因此加載點局部桿件的受力較大，要防止因局部桿件的破壞而導致整個結構喪失承載力。④模型與承臺板之間采用自攻螺釘連接，是否能夠牢固連接而更接近理想的固結支座對于整個結構的受力性能影響很大。⑤模型結構中必然存在眾多桿件需要在一個節點連接的問題，節點的構造對于桿件能否充分發揮承載能力至關重要，在設計中應盡可能保證“強節點”的制作，避免節點的破壞先于桿件的破壞。

1.3 結構特色

結構多選用鋼桁架結構，各兩端弦桿件及其內部縱向受力分配關系等均都可以看作是單向且以徑向拉、壓彎受力方向為主，通過同時考慮到上下桁架兩端的弦桿件和腹桿構件等的合理的對稱組合布置，可做到同時適應整個鋼結構體和內部結構復雜部分的垂直剪切彎矩特性要求和內部橫向剪力分布。由于支座水平方向上產生的拉、壓內力均只實現了到支座自身的受力平衡，整個支座受力平衡結構都不對支座本身產生水平推力，其受力合理，形式美觀。

節點間的特殊加固。根據Midas Gen 軟件有限元分析計算結果，對具有不同結構受力情況要求的加固節點可以采用完全不同類型的加固處理方式，契合了“強剪弱彎”“強節點弱構件”的抗震設計新理念。

桿件的局部加強。根據美國Midas Gen 軟件的分析，桁架結構中不同截面部位的受力負荷情況均不同。因此，在保證盡可能多節省構件材料量的前提下僅對模型局部變形做一些加強性處理，增加了桁架結構受力的結構整體穩定性系數和工程可靠性，實現了“輕質高強”的設計理念。

2 結構分析及優化

2.1 結構分析

2.1.1 位移計算

利用Midas Gen 有限元計算軟件在軟件環境中建立模型，模擬竹結構模型在加載時受力的受力狀況，在Midas Gen 有限元建模結果分析報告中，對模型主要的參數進行了定義，彈性模量為6.0×103MPa，密度為8 g/cm3，密度泊松比為0.3；在實際進行結構內力模型分析試驗時需要按實際空間結構計算進行內力計算，結構模型分析中考慮大部分橋梁桿件受力都存在著彎矩、剪力比和軸力，為了試驗計算更方便，建議統一采用梁單元模擬試驗；但是由于在結構節點處進行連接施工主要還是靠膠水來進行粘連，按剛接法計算受力較為合理。

第一級加載在橋面上共設置8 個加載點，對應的加載裝置圖如圖2 所示，加載點上豎向荷載加載工況如表1 所示，對應的內力計算圖如圖3（a）所示。

表1 荷載工況表 單位：kg

圖2 加載裝置平面圖

圖3 加載結果圖

第二級荷載是在原有第一級荷載的荷載基礎上又分為前后2 個主要步驟分別進行的加載，具體步驟如下：①保持C加載截面內的2 個加載點C1、C2保持靜負載位置不變，從其最左側的加載點取A1，將在該加載點內的所有砝碼均轉移至其另一側的2 個A2加載截面點上。②將第一步移入荷載點上的所有砝碼，全部都轉移至第一個與該加載點坐標相同位置的B 型軸對稱點上。為了減小計算工作量，以扭矩最為嚴重的加載模式A 為代表，分析其變形情況，如圖3（b）所示。

由圖3（a）可知，一級加載工況下結構的豎向最大位移出現在距支座40 cm 處，位移為0.3 mm；由圖3（b）可知，二級加載工況下結構的豎向最大位移出現在距支座30 cm 處，位移為0.5 mm。

綜上所述，結構在各種荷載工況下，都能夠承受賽題規定的豎向荷載，且在第一、第二級荷載作用下，結構頂點的最大豎向位移都小于限值，滿足位移要求。理論分析表明，此種結構方案較為合理，但實際結構模型能否達到理論計算值，還取決于在制作過程中的精細程度和對桿件節點的構造處理能否與理論計算假定相一致。

2.1.2 模型位移測試

根據Midas Gen 軟件的分析結果，得到桁架橋位移為0.50 mm，如圖4（a）所示。結構在豎向荷載和移動荷載的作用下，雖然發生了變形，但是整體性較好，位移相對較小，不影響其整體的穩定性。在實際模型加載過程中模型產生了變形，并沒有發生斷裂且撓度較小，如圖4（b）和圖4（c）所示，激光位移計記錄的數據為0.63 mm，如圖4（d）所示，基本與Midas Gen 軟件加載結果相近，即理論方案的結果與實際模型結果基本一致。

圖4 位移圖

2.2 節點優化

2.2.1 支座節點

支座內部主要用于承受豎向平面系統內的豎向集中荷載，支座的內支承桁架結構設計可以比較有效地解決減小截面以上荷載問題，從而使整個支座系統有了較強的側向抗壓彎能力。因此，在支座和內部桁架結構桿件節點間銜接的部分節點部位也應同時滿足支座相應位置的橫向受力強度要求，采用了502 膠水直接將它們緊密粘結，考慮其接觸部位面積要求較小，在其局部橫向受力強度較大要求的節點部位采用竹粉膠和膠水共同作用加強并用竹皮進行纏繞，盡量能使各個建筑構件之間形成一個有機的整體，如圖5（a）所示。

圖5 節點優化圖

2.2.2 梁加載處

由于施加荷載較大，作為主梁的桿件容易被尼龍繩切割而造成主梁破壞，因此，在加載點處用豎桿與2個斜桿進行支撐；同時用厚0.2 mm 的集成竹皮包裹易破壞部位，使主梁在承受相應荷載的基礎上質量達到最小，竹制材料便可以滿足其要求，如圖5（b）所示。

2.2.3 多節點之間的連接處

桿件末端節點需要提前確定節點切割的角度，這樣做才可以進一步地增大各桿件間節點的有效接觸點面積，使整個節點結構更加緊密與牢固、穩定可靠。利用502 膠水廢料先進行節點的粘結，再利用竹條廢料進行節點的卡位，防止在靠近節點部位的相鄰節點產生較大的位移；然后采用竹粉廢料填充節點空隙并以502 膠水廢料進行粘結固定節點的加固方式來加固節點，如圖6 所示。

圖6 節點加固圖

3 結束語

模型的理想狀態下的數據總是與現實測得的數據有一定的差距，但是誤差都在可控范圍內，理論模擬結果可信度較高。通過力學結構優化設計技能競賽，可以切實提升高校大學生科研創新應用能力，通過參與解讀參賽題、初步儀器選型、力學結構計算、動手項目制作、查閱有關文獻書籍等一系列過程，既能切實培養青年學生良好的實踐創新能力意識、動手設計能力，還能培養他們的團隊意識能力和自主合作精神。一個結構模型完成，理論設計是必要條件，精準制作是充分條件，二者是相輔相成的。

模型制作也是一種技能，它需要熟能生巧，反復進行練習，不斷在失敗中總結經驗，不斷提高制作精準度和制作速度。在制作過程中會出現各種各樣不同的問題，需要不斷地遇到問題、解決問題，并在其中不斷地提升自己的創新能力與實踐能力。本文讓學生們真實地感受到什么是理論與實踐相結合，加深了對理論知識的理解。此外在制作模型的過程中感受到了無限樂趣，這種積極的作用也可以進一步培養學生的學習興趣。