淺談大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽

高潮　楊磊　喬永梅　蔡軍　王誠超

摘要：“第六屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽”由國家教育部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國土木工程學(xué)會聯(lián)合主辦，重慶大學(xué)承辦，旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識與合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。文章以參賽作品《承重結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)、制作與跨中靜荷載作用的加載試驗(yàn)》為例，介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程及設(shè)計(jì)過程中需注意的事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：承重結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)模型；加載試驗(yàn)；強(qiáng)柱弱梁；強(qiáng)剪弱彎；結(jié)構(gòu)剛度

中圖分類號：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）10-0027-02

1 概述

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是國家教育部批準(zhǔn)的9個(gè)大學(xué)生競賽資助項(xiàng)目之一，大賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識與合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力?！暗诹鶎萌珖髮W(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽”由國家教育部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國土木工程學(xué)會聯(lián)合主辦，重慶大學(xué)承辦。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽以吊腳樓建筑抵抗泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害為題目，以竹皮為設(shè)計(jì)材料。首先我們要了解竹皮這種材料的力學(xué)性能，做到熟練地使用竹皮制作各種桿件。其次按照比賽題目要求，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。最后通過實(shí)驗(yàn)分析完善結(jié)構(gòu)形式。

2 大賽內(nèi)容及模型設(shè)計(jì)制作流程

2.1 大賽內(nèi)容及選型

大賽的內(nèi)容為利用給定材料，在一定時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)結(jié)構(gòu)，通過多次重復(fù)承載能力試驗(yàn)，一般選出荷重比最大者，決定參賽作品，再綜合考慮各項(xiàng)因素決出獲獎(jiǎng)等級。材料一般采用白卡紙或者是木材，至于結(jié)構(gòu)，一般選擇高層建筑模型、簡支橋梁模型、大跨屋架模型等。此結(jié)構(gòu)以工程實(shí)際為背景，主要受沖擊荷載影響。比賽中采用的三級沖擊荷載模擬泥石流的沖擊。如何使結(jié)構(gòu)在兼顧美觀、經(jīng)濟(jì)的同時(shí)滿足各級沖擊的要求，成為我們著重考慮的問題。在結(jié)構(gòu)選型中，我們對各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了比較詳盡的理論分析和實(shí)驗(yàn)比較，著重分析結(jié)構(gòu)自重和荷載分布，以達(dá)到較大的效率比。

2.2 模型設(shè)計(jì)制作前期準(zhǔn)備

作為一項(xiàng)極具啟發(fā)性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的科技競賽，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽既考驗(yàn)參賽者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識，又鍛煉大家的動(dòng)手實(shí)踐能力，并在競賽過程中，考驗(yàn)參賽大學(xué)生的綜合素質(zhì)，一個(gè)優(yōu)秀的競賽作品，必然是參賽者準(zhǔn)確把握命題要求、正確運(yùn)用理論知識并且精確進(jìn)行模型制作的結(jié)晶，因此，在模型設(shè)計(jì)制作前應(yīng)考慮設(shè)計(jì)過程中所應(yīng)用到的理論知識并加以回顧。

2.3 模型制作過程

一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型，如果沒有精細(xì)的制作工藝，不管理論設(shè)計(jì)再怎么完善也將無法付諸實(shí)踐。這也是大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽區(qū)別于一般競賽的地方。模型制作水平在很大程度上依賴于參賽者的手工技巧。

2.3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思。

（1）根據(jù)模型的制作材料，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，提高結(jié)構(gòu)剛度和整體性，符合“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”的要求。

（2）針對不同的結(jié)構(gòu)形式，在保證安全可靠的前提下，盡量優(yōu)化模型、減輕質(zhì)量，使荷質(zhì)比達(dá)到最大。

（3）針對不同的荷載分布，通過大量加載實(shí)驗(yàn)，觀測模型的加速度和位移。在滿足安全的前提下，盡可能提高效率比。

（4）合理運(yùn)用竹皮材料的特性，充分發(fā)揮其優(yōu)越的力學(xué)性能。

（5）所有桿件的計(jì)算長度及控制長細(xì)比均按壓桿考慮，以保證安全。

（6）精心設(shè)計(jì)和制作構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的處理，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，從實(shí)踐中不斷總結(jié)，敢于創(chuàng)新，打破思維定式的約束。

2.3.2 模型制作。

俗話說：“成也蕭何，敗也蕭何?！币粋€(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型，如果沒有精細(xì)的制作工藝，不管理論設(shè)計(jì)再怎么完善也無法將之付諸實(shí)踐。這也是大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽區(qū)別于一般競賽的地方。

第一，桿件制作。

比賽提供的竹皮有0.2mm、0.35mm、0.55mm三種不同的厚度。根據(jù)力學(xué)分析與多次試驗(yàn)，將主要受力構(gòu)件采用0.55mm厚度的竹皮，對于維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一些普通構(gòu)件采用0.35mm厚度的竹皮，對于一些拉條以及節(jié)點(diǎn)的加固可以采用0.2mm厚度的竹皮。以下是模型的主要桿件的制作方法：

（1）方桿（以10mm×10mm×1m為例）：首先將0.55mm厚的竹皮水平的鋪放在桌面上，用刻度尺沿竹皮紋路量出1m長。用剪刀剪掉多余的竹皮，在1m長的竹皮兩端各量取10mm，用鉛筆連成直線，一人扶住直尺，一人用裁紙刀沿直線方向裁剪，共裁剪四條。由于竹皮質(zhì)地粗糙，將裁剪完的竹條用砂紙打磨，打去竹皮的毛邊，這樣便于502膠的粘合。將打磨好的竹皮條平放在桌面上，四片竹皮依次粘合形成斷面為正方形的長方體。

（2）變截面桿：變截面桿與方桿的不同主要在于竹片的尺寸，計(jì)算好每片竹片的尺寸，裁剪打磨后依次粘合。變截面桿件相比方桿有更好的受力特點(diǎn)，同時(shí)會減少模型自身的重量。我們模型中四根承載豎向荷載的柱子均為變截面桿件。

（3）三角形桿：三角形桿與方桿制作方法相似，但由于竹皮有一定厚度，每片粘結(jié)的竹皮又不是正交，所以在粘結(jié)過程中應(yīng)當(dāng)多放一些膠水，以防粘結(jié)不牢固。

（4）工字形桿：剪裁10mm寬、1m長的竹皮三段，按照“工”字形拼接而成。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在腹板加大厚度能更好地提高工字形桿的強(qiáng)度。

第二，桿件拼接。

在桌面簡要畫出框架的俯視圖。將橫桿與豎桿按照尺寸放在桌面上，由一人固定住桿件再由一人用502膠水將其擺好的桿件粘結(jié)上。用0.35mm的竹皮折成L形加固在桿件的粘結(jié)處。待框架拼接完成后，有兩人扶住框架，另一人再用桿件將一榀框架連接成二榀框架。完成后，再連接斜桿，最后固定在底板上。

第三，制作技巧。

（1）經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，制作好的方桿經(jīng)常在受力后會在粘結(jié)處開裂，為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，可以在方桿內(nèi)部一定間隔內(nèi)加上一個(gè)小肋。

（2）由于豎桿可以看成細(xì)長桿，抗彎能力比較差，可以通過在方桿內(nèi)部粘結(jié)一工字型桿，形成組合桿件，會很大程度提高方桿的抗彎能力。

（3）節(jié)點(diǎn)是模型加載能力的關(guān)鍵部位。節(jié)點(diǎn)加固尤為重要。

（4）由于比賽現(xiàn)場不允許自己攜帶任何工具，在制作桿件時(shí)，建議用竹皮制作一個(gè)簡易的操作臺。這樣既能確保桿件的精度，又能提高桿件的制作效率。

2.4 比賽過程

比賽過程主要包括模型現(xiàn)場制作和模型加載評比兩個(gè)過程。成敗與否，全在這幾天之中。

2.4.1 模型現(xiàn)場制作。參加比賽的模型要求現(xiàn)場制作，并在固定的時(shí)間內(nèi)完成。這就需要組員對自己模型足夠的熟練，且隊(duì)員之間要進(jìn)行合理的分工，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有效地制作出滿意的模型。制作的工具材料均由主辦方提供，因此要有很好的臨場應(yīng)變能力，發(fā)現(xiàn)工具材料有問題，一定及時(shí)向主辦方提出。

2.4.2 模型加載評比。比賽加載按照抽簽的順序進(jìn)行。頂層配重要求在比賽加載前確定，模型加載配重一般由自己確定。此次競賽一共有86支參賽隊(duì)伍，84所參賽院校，是全國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽史上規(guī)模最大的一次。我們抽得了第83組簽。這是一件好事，我們可以觀察前面組的加載情況以及在加載過程中可能會出現(xiàn)的問題，避免自己加載發(fā)生類似的錯(cuò)誤。

3 結(jié)語

此次比賽使我們收獲頗多，總結(jié)如下：

（1）由于主辦方提供的竹皮材料與在學(xué)校制作的材料有所差異，制作完成的模型其自重比以往輕了一半，導(dǎo)致對模型的加載失去信心，成為整個(gè)比賽過程中的隱患。造成這樣的結(jié)果主要在于在材料下發(fā)后，沒有及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題。因此對于提高臨場應(yīng)變能力，做到處事不驚、有條不紊，也是我們在這次比賽中學(xué)到的。

（2）本次比賽的采分點(diǎn)在于小球撞擊一層樓面板時(shí)產(chǎn)生的加速度。而如何提高小球的加速度是我們沒有辦到的，雖然我們承受了三次沖擊荷載，但并沒有提高小球的加速度，這是我們沒有拿到更好成績的主要原因。失敗是成功的墊腳石，總結(jié)失敗的教訓(xùn)，在以后的比賽或者生活中，從事物的本質(zhì)入手，會有事倍功半的效果。

（3）參加全國大賽是件很有意義的事情，我們看到了別的學(xué)校在這個(gè)方面的特色，學(xué)到了很多思路和制作的技巧。特別有感觸的就是：只有你想不到的，沒有做不到的。我們的制作技術(shù)不是問題，但是就是思路上的不一樣造成了最終成績上的差異。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸榮慶，唐興榮.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作大賽加載測試裝置介紹及應(yīng)用[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19（3）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）