以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為契機(jī) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力

劉明暉， 王 偉，2

(1．浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，浙江 杭州311231;2．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)

0 引言

土木工程是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的有力支撐。然而，受到時(shí)間，場地，經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)往往被弱化，造成理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)狀［1］。

近年來，國內(nèi)各省，市，地區(qū)，院校內(nèi)開展了內(nèi)容豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽［2-6］。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是教育部財(cái)政部聯(lián)合資助的9項(xiàng)大學(xué)生科技創(chuàng)新賽事之一［7］，其題目大多來源于工程實(shí)踐。2011年，浙江省第十屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽命題為支模架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)與制作，要求設(shè)計(jì)受力合理，且兼顧承載力與結(jié)構(gòu)自重的模板支撐體系模型［8］。目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大多采用現(xiàn)澆混凝土施工，結(jié)構(gòu)構(gòu)件是在模板的支撐下進(jìn)行混凝土澆注、振搗和養(yǎng)護(hù)施工。模板支撐體系是施工中的一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)。

本文介紹了我院某參賽組依據(jù)競賽模型制作要求、加載步驟及要求、評(píng)分規(guī)則，在教師指導(dǎo)下依次進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)布置、荷載分析、承載力估算)、模型制作及試驗(yàn)，最終形成模型的整個(gè)過程。

通過參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，學(xué)生將力學(xué)、結(jié)構(gòu)，施工的知識(shí)貫穿起來，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的融通，培養(yǎng)了學(xué)生分析實(shí)際結(jié)構(gòu)問題和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的能力。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽不僅是一項(xiàng)學(xué)生課外科技活動(dòng)，還能起到促進(jìn)教學(xué)改革的作用，對(duì)培養(yǎng)土建類大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維具有深遠(yuǎn)的意義。

1 設(shè)計(jì)要求

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)模板支撐結(jié)構(gòu)模型。要求用桐木(長度1 000 mm，截面為3 mm×3 mm、1 mm×55 mm)和502膠水分別制作高度為600 mm的模板支撐結(jié)構(gòu)模型和400mm×400mm×55 mm，下設(shè)一根凸梁的加載盒模型。加載試驗(yàn)時(shí)，依次向三個(gè)漏斗內(nèi)倒入鐵砂，模擬梁板混凝土澆筑的過程。最終以模板支撐結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的比值，作為模型加載計(jì)分的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2．1 結(jié)構(gòu)布置

圖1為利用三維作圖軟件繪制的三維透視圖，從圖中可以看出結(jié)構(gòu)的空間布置，其主體由四層的空間桁架構(gòu)成，頂層為帶有懸挑端的連續(xù)梁和三角支架體系(頂層要求為水平面，故無法布置雙向帶有懸挑的連續(xù)梁)，具體的立面、平面和構(gòu)件尺寸見圖2和圖3。

圖1 結(jié)構(gòu)透視圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 結(jié)構(gòu)立面圖

2．2 荷載分析

模板可近似看作中間為四邊支撐的雙向板，四周為三邊支撐的板，其荷載近似按45°對(duì)角線傳遞［9］，但“魚腹梁”需疊合模板中“梁”的短距分布荷載;因加載盒尺寸的限制，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)若使得加載盒不產(chǎn)生堆載外漏，一般堆載需控制在50 kg范圍內(nèi);相對(duì)于堆載，結(jié)構(gòu)自重可忽略。

綜上所述，即可將整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)頂部的豎向重力荷載分布到頂部連續(xù)梁、三角支架和魚腹梁上，其具體計(jì)算簡圖如圖4所示。

圖4 計(jì)算簡圖

2．3 承載力估算

2．3．1 魚腹梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)

支撐結(jié)構(gòu)頂層大梁采用魚腹梁。在模型加載試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，大梁跨中由于承受現(xiàn)澆梁的集中力易首先發(fā)生斷裂，故采用普通的等截面箱型強(qiáng)度不夠?？紤]到大梁的受力特點(diǎn)，跨中彎矩特大，支座彎矩相對(duì)較小，遂采用變截面魚腹梁的結(jié)構(gòu)形式，既滿足承載力要求，又節(jié)省材料。

2．3．2 立桿與連續(xù)梁節(jié)點(diǎn)的合理位置

在加載初期，為了避免非均布荷載使得模板支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆，立桿圍成的矩形不宜過小;在加載中后期，為了使近似均布荷載產(chǎn)生的作用效應(yīng)使立桿處于軸心或小偏心狀態(tài)，以便充分發(fā)揮材料抗力，立桿圍成的矩形不宜過大;故立桿作為連續(xù)梁的支撐，在方案計(jì)算時(shí)應(yīng)使連續(xù)梁在立桿兩側(cè)的彎矩絕對(duì)值盡可能相同，從而使得立桿處于軸心受壓或小偏心受壓狀態(tài)［9］。

下面給出了確定立桿與連續(xù)梁節(jié)點(diǎn)合理位置的近似計(jì)算步驟。

將結(jié)構(gòu)簡化為平面問題，考慮如圖5所示的超靜定剛架，由對(duì)稱性可以取1/2作為等效結(jié)構(gòu)。問題轉(zhuǎn)化為對(duì)2次超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，可以用力法來計(jì)算［10］。取基本結(jié)構(gòu)如圖6～8所示。

圖5 簡化力學(xué)模型

圖6 等效結(jié)構(gòu)

圖7 力法基本結(jié)構(gòu)

圖 8 M1，M2，Mp圖

列出力法典型方程:

利用圖乘法，可求出方程系數(shù)如下:

代入典型方程，整理得:

利用疊加法，求出立柱端彎矩為:

可見，當(dāng)a2槡=2a1時(shí)，立柱彎矩為零，即立柱為軸心受壓狀態(tài)。用疊加法做彎矩見圖9。

圖9 彎矩圖

從彎矩圖可見，此時(shí)連續(xù)梁最大正負(fù)彎矩的絕對(duì)值相等，即連續(xù)梁彎矩分配均衡，受力合理。因此，當(dāng)挑出長度是柱距的0．353倍時(shí)，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的彎矩相等，即立柱處于軸心受壓狀態(tài)。此計(jì)算結(jié)果與地基基礎(chǔ)教材［11］中“地梁挑出長度宜為邊跨柱距的1/4～1/3”基本一致;且與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2002)［12］中8．3．1 條提到的“條形基礎(chǔ)的端部宜向外伸出，其長度宜為第一跨距的0．25倍”相一致。

依據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，本模型結(jié)構(gòu)頂部連續(xù)梁設(shè)計(jì)為挑出長度75 mm，立柱間距為230 mm，挑出長度取跨距的0．326倍。

2．3．3 立桿的設(shè)計(jì)

四個(gè)立桿的受力以軸心受壓為主，設(shè)計(jì)時(shí)主要從穩(wěn)定性出發(fā)設(shè)計(jì)橫桿分層，減小立桿長細(xì)比，提高穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮2種方案。一種是立桿分3層，一種是分4層，分別校核其穩(wěn)定性。

立桿的約束可簡化為一端鉸支，一端固定，故長度系數(shù) μ 取 0．7［13］。

立桿的截面尺寸如圖10所示，b=7．00 mm，h=9．00 mm，t=1．00 mm。

圖10 立桿截面形式

截面慣性矩

截面積

慣性半徑

若分4層(總高600 mm，頂層層高80 mm，其余三層層高相同)，長細(xì)比

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50005-2003)，軸心受壓桿件的穩(wěn)定性驗(yàn)算［14］，需滿足

考慮結(jié)構(gòu)的最大設(shè)計(jì)荷載60 kg，平均分到每個(gè)立桿上是15 kg

MPa，立桿的穩(wěn)定性滿足要求。

若分3層(頂層層高80 mm，其余二層層高相同)，

長細(xì)比立桿穩(wěn)定性不符合要求。

因此，根據(jù)穩(wěn)定性驗(yàn)算，模型主體結(jié)構(gòu)立桿應(yīng)分為4層。

3 模型制作及試驗(yàn)

模型制作工藝的好壞直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的最終承載力。因此要求學(xué)生在制作模型過程中對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)處理細(xì)致，保證與計(jì)算模型一致。考慮到木材力學(xué)性能的離散性，模型中桿件制作、裝配誤差，節(jié)點(diǎn)模擬誤差等不確定因素，對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載分析，承載力估算不能完全反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，因此還需要進(jìn)行必要的模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)的條件越接近實(shí)際比賽加載情況，其結(jié)果越具有參考價(jià)值。

3．1 對(duì)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行承載力測試以提高效率

在結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化的過程中，本參賽組測試結(jié)構(gòu)的極限承載力是采用破壞性試驗(yàn)。整個(gè)結(jié)構(gòu)模型制作好后逐級(jí)加載，直至破壞。做一次加載試驗(yàn)必然破壞一個(gè)模型，模型無法復(fù)原，重新制作1個(gè)模型需要1～2天時(shí)間，耗時(shí)長。在賽期緊迫，備賽時(shí)間有限情況下，本團(tuán)隊(duì)設(shè)想，可先對(duì)單個(gè)構(gòu)件測試承載力，單個(gè)構(gòu)件的制作時(shí)間短，因此能大大提高試驗(yàn)的效率。例如，在確定魚腹梁的截面尺寸時(shí)，先制作一個(gè)單跨魚腹梁，兩端簡支，在跨中系砝碼來模擬凸梁傳遞來的集中荷載，從而測出單個(gè)構(gòu)件的承載力。

3．2 利用自制標(biāo)尺測量位移

成套加載設(shè)備購買價(jià)格高達(dá)5萬元。在經(jīng)費(fèi)有限，精確測量儀器缺乏的困難情況下，試制階段只能采用自制方法來模擬加載試驗(yàn)，測試結(jié)構(gòu)的承載力和位移。例如，加載盒豎向位移要控制在10 mm內(nèi)，利用現(xiàn)有條件，在裝滿鐵砂的瓶子內(nèi)插入一根桐木桿，木桿標(biāo)上刻度，將瓶子放置在支撐結(jié)構(gòu)兩旁對(duì)角線位置，木桿輕靠加載盒邊沿，如圖11所示。加載前，記下初始位置;加載開始后，觀察標(biāo)尺刻度對(duì)準(zhǔn)情況，即可監(jiān)控最大豎向位移。

圖11 自制標(biāo)尺測量位移

4 結(jié)語

本次結(jié)構(gòu)競賽以模板支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作為題，具有很好的實(shí)際工程意義。模板支撐結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程施工中廣泛應(yīng)用，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性關(guān)系到施工的安全。通過參加結(jié)構(gòu)競賽，學(xué)生增強(qiáng)了對(duì)模板支撐體系的感性認(rèn)識(shí)，為今后從事土建設(shè)計(jì)、施工、管理工作作出鋪墊。學(xué)生首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，宏觀上把握了結(jié)構(gòu)方案;在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，運(yùn)用已有的力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)對(duì)承載力、穩(wěn)定性進(jìn)行估算，思考承載力、穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)布置的關(guān)系，進(jìn)行了力所能及的計(jì)算，并探索性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是引導(dǎo)學(xué)生一次運(yùn)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的有益嘗試［15］，強(qiáng)化了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣和熱情，是課堂教學(xué)活動(dòng)的有益補(bǔ)充和延伸。此項(xiàng)活動(dòng)值得在土建類高校中大力推廣和堅(jiān)持。

［1］ 林春姣．淺談橋梁結(jié)構(gòu)模型競賽對(duì)橋梁工程教學(xué)的促進(jìn)［J］．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，31(6):34-35．

［2］ 周克名．結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析_大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽評(píng)述［J］．福建建筑，2006，100(4):28-30，25．

［3］ 程 濤．結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽與土木工程專業(yè)教學(xué)改革［J］．力學(xué)與實(shí)踐，2010，32(6):91-94．

［4］ 陳以一，周克榮，顧慧若，等．工科學(xué)生實(shí)踐性設(shè)計(jì)競賽活動(dòng)的組織方式［J］．高等建筑教育，2001，39(6):42-44．

［5］ 郭曉旸．開展“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”打造品牌學(xué)生活動(dòng)［J］．北京教育，2010(7-8):40-41．

［6］ 丁元新，姜秀英，金偉良．建立實(shí)踐基地，培養(yǎng)創(chuàng)新人才［J］．高等理科教育，2001(5):76-78．

［7］ 余世策，劉承斌，胡志華，等．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中塔吊模型靜載試驗(yàn)裝置的研制［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26(6):51-54，83．

［8］ 浙江省大學(xué)生科技競賽委員會(huì)．浙江省第十屆“東南網(wǎng)架杯”大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽文件［Z］．2011:1-11．

［9］ 東南大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，天津大學(xué)．混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［10］ 龍馭球，包世華．結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅰ——基本教程［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［11］ 華南理工大學(xué)，東南大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué)．地基及基礎(chǔ)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998．

［12］ GB50007－2002．建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中華人民共和國建設(shè)部，2002．

［13］ 殷有泉，鄧成光．材料力學(xué)［M］．北京:北京大學(xué)出版社，1990．

［14］ GB50005－2003．木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中華人民共和國建設(shè)部，2003．

［15］ 鐘桂輝，劉曙光，匡翠萍，等．港航工程模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(1):120-122．