第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

沈璐　高潮　王志云

摘要：全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽計(jì)算書(shū)的撰寫(xiě)與指導(dǎo)是大賽的薄弱環(huán)節(jié)。文章針對(duì)第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題，闡述了模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)參賽模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析過(guò)程能夠?yàn)榻窈蟮膮①愡x手提供思路，對(duì)于指導(dǎo)教師參與指導(dǎo)撰寫(xiě)計(jì)算書(shū)也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；模型結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2014）04-0159-05

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽由教育部和中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦，是教育部確定的大學(xué)生九項(xiàng)科技競(jìng)賽之一。從2005年浙江大學(xué)承辦的第一屆，到2013年湖南大學(xué)承辦的第七屆，賽事日趨規(guī)范，為土木相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生提供了鍛煉綜合素質(zhì)、思維能力、動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)和專業(yè)素養(yǎng)的平臺(tái)。

隨著大賽的開(kāi)展，一些不足之外也日漸顯現(xiàn)。參賽學(xué)生只重視模型的制作，不重視理論分析，模型的設(shè)計(jì)過(guò)程具有一定的盲目性，不能將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)很好地運(yùn)用到模型設(shè)計(jì)與計(jì)算中，最終導(dǎo)致參賽隊(duì)伍的計(jì)算書(shū)質(zhì)量較差。這一點(diǎn)也引起了主辦單位的重視，承辦單位在制定競(jìng)賽規(guī)則和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，逐年加大了計(jì)算書(shū)和現(xiàn)場(chǎng)自述答辯環(huán)節(jié)的分值，旨在引起參賽選手和指導(dǎo)教師的注意，重視對(duì)參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的考察。

一、第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題

競(jìng)賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進(jìn)行加載測(cè)試。

模型采用大賽組委會(huì)提供的竹材料、膠水及工具現(xiàn)場(chǎng)制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。 制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型外圍長(zhǎng)度為400 mm±5 mm，寬度為150 mm±5 mm，高度為265 mm±5 mm；模型結(jié)構(gòu)物應(yīng)在圖1所示的陰影部分之內(nèi)。模型底面尺寸不得超過(guò)200 mm×150 mm的矩形平面。

三、荷載工況分析

此次比賽賽題的荷載并非事先確定的固定值或指定的荷載形式，而是在模型制作完成后各參賽隊(duì)推選一名選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺進(jìn)行加載測(cè)試。

模型的加載分為靜加載和動(dòng)加載兩部分：靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來(lái)體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動(dòng)加載通過(guò)參賽選手繞標(biāo)競(jìng)速來(lái)判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點(diǎn)都取決于參賽選手的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)參賽隊(duì)員的力學(xué)分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算能力和現(xiàn)場(chǎng)制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上，此次賽題的荷載分析十分復(fù)雜，需要制定多種荷載工況，以滿足計(jì)算與荷載組合的需要。

總的來(lái)說(shuō)，需要設(shè)定五種荷載工況，即靜載、奔跑時(shí)的動(dòng)載（如圖3.3.1中A點(diǎn)所示）、轉(zhuǎn)彎時(shí)的扭轉(zhuǎn)荷載（如圖3.3.1中C點(diǎn)所示）、跨欄落地時(shí)的沖擊荷載（如圖3.3.1中B點(diǎn)所示）和奔跑時(shí)產(chǎn)生的反復(fù)加載所造成的疲勞荷載。

（一）工況一：靜載

參賽選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺雙腳靜止站立于地磅秤重臺(tái)上，測(cè)量選手的總重量，這個(gè)過(guò)程即是靜載加載的過(guò)程。

參賽隊(duì)員穿著竹高蹺及輪滑鞋后，稱得的重量為75 kg，相當(dāng)于750 kN。由于靜載加載過(guò)程中始終為雙腳站立，因此每只模型上承受的靜荷載為750 kN的一半，即375kN。

參賽隊(duì)員在進(jìn)行靜載加載時(shí)，腳掌完全作用在踏板上，相當(dāng)于參賽鞋全面積范圍內(nèi)都在加載，因此可以簡(jiǎn)化為輪滑鞋外圍面積300 mm×100 mm內(nèi)的均布荷載，因此，均布荷載大小q1可按3750 kN/m計(jì)算。

（二）工況二：動(dòng)載（奔跑時(shí)）

繞標(biāo)競(jìng)速要求參賽選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺進(jìn)行繞標(biāo)跑或走，從而對(duì)模型產(chǎn)生動(dòng)力荷載作用。值得注意的是，動(dòng)力荷載的大小與作用面積與靜荷載完全不同，且差別較大，需要仔細(xì)分析。

首先，參賽隊(duì)員在奔跑過(guò)程中，只有一只腳著地，即身體的全部重量均由一只模型承擔(dān)。因此，此時(shí)作用在模型踏板上的作用力不是前面靜載作用的大小375 kN，而是選手總重量，即750 kN。

其次，在奔跑過(guò)程中，參賽選手的腳掌不是全部著落在踏板上，而是后腳掌懸空，前腳掌著地并施加作用力。因此，奔跑時(shí)的動(dòng)荷載作用在踏板上的作用面積與靜載作用面積并不一致，如圖4。經(jīng)過(guò)測(cè)量參賽隊(duì)員前腳掌的尺寸，再加上擴(kuò)散到輪滑鞋底的距離，最后計(jì)算出參賽隊(duì)員奔跑時(shí)踏板上的作用面積為100 mm×100 mm。將動(dòng)荷載作用簡(jiǎn)化為作用面積上的均布荷載，荷載集度q2可按7 500 kN/m計(jì)算。

（三）工況三：扭轉(zhuǎn)荷載（繞標(biāo)轉(zhuǎn)彎時(shí)）

在繞標(biāo)競(jìng)速過(guò)程中，要求參賽選手必須繞過(guò)直徑為30 cm的繞標(biāo)。選手在繞標(biāo)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，腳掌會(huì)施加給踏板及模型一個(gè)扭轉(zhuǎn)的作用，這對(duì)模型結(jié)構(gòu)極其不利。尤其是對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點(diǎn)抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比較薄弱，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)的損傷，甚至破壞。因此，在荷載工況中考慮扭轉(zhuǎn)情況是十分必要的。作用在模型上的扭轉(zhuǎn)作用可以簡(jiǎn)化為力偶的形式進(jìn)行計(jì)算。

（四）工況四：沖擊荷載（跨欄落地時(shí)）

在距離起點(diǎn)10 m處，設(shè)高度為35 cm的木結(jié)構(gòu)障礙板，要求參賽選手在繞標(biāo)往返過(guò)程中越過(guò)障礙板。從力學(xué)角度分析，在此項(xiàng)比賽環(huán)節(jié)中，選手跨越障礙板后落地時(shí)，會(huì)對(duì)模型結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用。尤其是選手在奔跑過(guò)程中，為追求速度，模型每次落地時(shí)都會(huì)承受一定的沖擊作用。

沖擊荷載的大小是很難計(jì)算的。本隊(duì)采用橋梁工程中的算法，將靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來(lái)估算沖擊荷載的大小。沖擊系數(shù)按照橋梁工程中的規(guī)定，取一般值，即μ=1.15～1.2。

（五）工況五：疲勞荷載

在繞標(biāo)競(jìng)速過(guò)程中，施加在模型結(jié)構(gòu)上的荷載也是不斷變化的，在動(dòng)荷載反復(fù)的加載卸載的過(guò)程中，對(duì)于模型結(jié)構(gòu)而言，也會(huì)產(chǎn)生一定的疲勞作用。

引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類(lèi)型：一種為常幅交變荷載，也叫循環(huán)應(yīng)力；另一種為變幅交變荷載。轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械零件常發(fā)生常幅疲勞破壞，吊車(chē)橋、鋼橋等結(jié)構(gòu)則主要是變幅疲勞破壞。竹高蹺模型在奔跑中的疲勞損傷即為變幅疲勞。

四、荷載組合與有限元計(jì)算

考慮以下五種荷載組合：靜載加載組合；動(dòng)載加載組合；動(dòng)載+扭轉(zhuǎn)荷載組合；動(dòng)載+沖擊荷載組合；動(dòng)載+扭轉(zhuǎn)荷載+沖擊荷載組合。

利用大型通用有限元軟件Ansys對(duì)前述幾種荷載工況進(jìn)行組合，經(jīng)過(guò)建模、調(diào)試，得到計(jì)算結(jié)果，選取部分云圖如圖5。

從計(jì)算結(jié)果看，在荷載工況2作用下，前斜撐受力明顯大于后斜撐，可以考慮將前斜撐做得強(qiáng)一些，后斜撐做得弱一些。但是在扭轉(zhuǎn)工況下，后斜撐與前斜撐受力相當(dāng)，可見(jiàn)前后斜撐的剛度不宜相差過(guò)大。另外，底座為應(yīng)力集中處，各種工況下的受力均接近最大值，因此底座的剛度應(yīng)加強(qiáng)處理。

五、模型加載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)是一門(mén)以結(jié)構(gòu)模型為對(duì)象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用現(xiàn)代化測(cè)試分析技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的技術(shù)操作。通過(guò)模型試驗(yàn)，工程技術(shù)人員能夠更加全面準(zhǔn)確地了解模型的各項(xiàng)力學(xué)性能。模型試驗(yàn)是理論分析的有益補(bǔ)充和驗(yàn)證。由于有限元分析的準(zhǔn)確度有限，要想獲知參賽結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)載成績(jī)，必須借助于模型加載試驗(yàn)來(lái)完成。圖6為模型加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐龍軍，李洋，許昊.全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題分析及建議[J].高等建筑教育，2012，21（3）：148-150.

[2]吳樟榮，章明卓，章旭健.以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為載體培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（2）：6-8.

[3]傅軍.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)的調(diào)查研究[J].實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)，2009，（12）：1124-126.

[4]顧凌赟，殷怡，徐燕，劉寶兵.全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽研究與競(jìng)賽指導(dǎo)初探[J].中國(guó)電力教育，2011，（23）：131-132.

[5]于洋.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中模型的設(shè)計(jì)與制作方法[J].科技資訊，2007，（18）：201-202.

（編輯 梁遠(yuǎn)華）

摘要：全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽計(jì)算書(shū)的撰寫(xiě)與指導(dǎo)是大賽的薄弱環(huán)節(jié)。文章針對(duì)第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題，闡述了模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)參賽模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析過(guò)程能夠?yàn)榻窈蟮膮①愡x手提供思路，對(duì)于指導(dǎo)教師參與指導(dǎo)撰寫(xiě)計(jì)算書(shū)也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；模型結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2014）04-0159-05

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽由教育部和中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦，是教育部確定的大學(xué)生九項(xiàng)科技競(jìng)賽之一。從2005年浙江大學(xué)承辦的第一屆，到2013年湖南大學(xué)承辦的第七屆，賽事日趨規(guī)范，為土木相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生提供了鍛煉綜合素質(zhì)、思維能力、動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)和專業(yè)素養(yǎng)的平臺(tái)。

隨著大賽的開(kāi)展，一些不足之外也日漸顯現(xiàn)。參賽學(xué)生只重視模型的制作，不重視理論分析，模型的設(shè)計(jì)過(guò)程具有一定的盲目性，不能將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)很好地運(yùn)用到模型設(shè)計(jì)與計(jì)算中，最終導(dǎo)致參賽隊(duì)伍的計(jì)算書(shū)質(zhì)量較差。這一點(diǎn)也引起了主辦單位的重視，承辦單位在制定競(jìng)賽規(guī)則和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，逐年加大了計(jì)算書(shū)和現(xiàn)場(chǎng)自述答辯環(huán)節(jié)的分值，旨在引起參賽選手和指導(dǎo)教師的注意，重視對(duì)參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的考察。

一、第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題

競(jìng)賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進(jìn)行加載測(cè)試。

模型采用大賽組委會(huì)提供的竹材料、膠水及工具現(xiàn)場(chǎng)制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。 制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型外圍長(zhǎng)度為400 mm±5 mm，寬度為150 mm±5 mm，高度為265 mm±5 mm；模型結(jié)構(gòu)物應(yīng)在圖1所示的陰影部分之內(nèi)。模型底面尺寸不得超過(guò)200 mm×150 mm的矩形平面。

三、荷載工況分析

此次比賽賽題的荷載并非事先確定的固定值或指定的荷載形式，而是在模型制作完成后各參賽隊(duì)推選一名選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺進(jìn)行加載測(cè)試。

模型的加載分為靜加載和動(dòng)加載兩部分：靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來(lái)體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動(dòng)加載通過(guò)參賽選手繞標(biāo)競(jìng)速來(lái)判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點(diǎn)都取決于參賽選手的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)參賽隊(duì)員的力學(xué)分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算能力和現(xiàn)場(chǎng)制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上，此次賽題的荷載分析十分復(fù)雜，需要制定多種荷載工況，以滿足計(jì)算與荷載組合的需要。

總的來(lái)說(shuō)，需要設(shè)定五種荷載工況，即靜載、奔跑時(shí)的動(dòng)載（如圖3.3.1中A點(diǎn)所示）、轉(zhuǎn)彎時(shí)的扭轉(zhuǎn)荷載（如圖3.3.1中C點(diǎn)所示）、跨欄落地時(shí)的沖擊荷載（如圖3.3.1中B點(diǎn)所示）和奔跑時(shí)產(chǎn)生的反復(fù)加載所造成的疲勞荷載。

（一）工況一：靜載

參賽選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺雙腳靜止站立于地磅秤重臺(tái)上，測(cè)量選手的總重量，這個(gè)過(guò)程即是靜載加載的過(guò)程。

參賽隊(duì)員穿著竹高蹺及輪滑鞋后，稱得的重量為75 kg，相當(dāng)于750 kN。由于靜載加載過(guò)程中始終為雙腳站立，因此每只模型上承受的靜荷載為750 kN的一半，即375kN。

參賽隊(duì)員在進(jìn)行靜載加載時(shí)，腳掌完全作用在踏板上，相當(dāng)于參賽鞋全面積范圍內(nèi)都在加載，因此可以簡(jiǎn)化為輪滑鞋外圍面積300 mm×100 mm內(nèi)的均布荷載，因此，均布荷載大小q1可按3750 kN/m計(jì)算。

（二）工況二：動(dòng)載（奔跑時(shí)）

繞標(biāo)競(jìng)速要求參賽選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺進(jìn)行繞標(biāo)跑或走，從而對(duì)模型產(chǎn)生動(dòng)力荷載作用。值得注意的是，動(dòng)力荷載的大小與作用面積與靜荷載完全不同，且差別較大，需要仔細(xì)分析。

首先，參賽隊(duì)員在奔跑過(guò)程中，只有一只腳著地，即身體的全部重量均由一只模型承擔(dān)。因此，此時(shí)作用在模型踏板上的作用力不是前面靜載作用的大小375 kN，而是選手總重量，即750 kN。

其次，在奔跑過(guò)程中，參賽選手的腳掌不是全部著落在踏板上，而是后腳掌懸空，前腳掌著地并施加作用力。因此，奔跑時(shí)的動(dòng)荷載作用在踏板上的作用面積與靜載作用面積并不一致，如圖4。經(jīng)過(guò)測(cè)量參賽隊(duì)員前腳掌的尺寸，再加上擴(kuò)散到輪滑鞋底的距離，最后計(jì)算出參賽隊(duì)員奔跑時(shí)踏板上的作用面積為100 mm×100 mm。將動(dòng)荷載作用簡(jiǎn)化為作用面積上的均布荷載，荷載集度q2可按7 500 kN/m計(jì)算。

（三）工況三：扭轉(zhuǎn)荷載（繞標(biāo)轉(zhuǎn)彎時(shí)）

在繞標(biāo)競(jìng)速過(guò)程中，要求參賽選手必須繞過(guò)直徑為30 cm的繞標(biāo)。選手在繞標(biāo)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，腳掌會(huì)施加給踏板及模型一個(gè)扭轉(zhuǎn)的作用，這對(duì)模型結(jié)構(gòu)極其不利。尤其是對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點(diǎn)抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比較薄弱，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)的損傷，甚至破壞。因此，在荷載工況中考慮扭轉(zhuǎn)情況是十分必要的。作用在模型上的扭轉(zhuǎn)作用可以簡(jiǎn)化為力偶的形式進(jìn)行計(jì)算。

（四）工況四：沖擊荷載（跨欄落地時(shí)）

在距離起點(diǎn)10 m處，設(shè)高度為35 cm的木結(jié)構(gòu)障礙板，要求參賽選手在繞標(biāo)往返過(guò)程中越過(guò)障礙板。從力學(xué)角度分析，在此項(xiàng)比賽環(huán)節(jié)中，選手跨越障礙板后落地時(shí)，會(huì)對(duì)模型結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用。尤其是選手在奔跑過(guò)程中，為追求速度，模型每次落地時(shí)都會(huì)承受一定的沖擊作用。

沖擊荷載的大小是很難計(jì)算的。本隊(duì)采用橋梁工程中的算法，將靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來(lái)估算沖擊荷載的大小。沖擊系數(shù)按照橋梁工程中的規(guī)定，取一般值，即μ=1.15～1.2。

（五）工況五：疲勞荷載

在繞標(biāo)競(jìng)速過(guò)程中，施加在模型結(jié)構(gòu)上的荷載也是不斷變化的，在動(dòng)荷載反復(fù)的加載卸載的過(guò)程中，對(duì)于模型結(jié)構(gòu)而言，也會(huì)產(chǎn)生一定的疲勞作用。

引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類(lèi)型：一種為常幅交變荷載，也叫循環(huán)應(yīng)力；另一種為變幅交變荷載。轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械零件常發(fā)生常幅疲勞破壞，吊車(chē)橋、鋼橋等結(jié)構(gòu)則主要是變幅疲勞破壞。竹高蹺模型在奔跑中的疲勞損傷即為變幅疲勞。

四、荷載組合與有限元計(jì)算

考慮以下五種荷載組合：靜載加載組合；動(dòng)載加載組合；動(dòng)載+扭轉(zhuǎn)荷載組合；動(dòng)載+沖擊荷載組合；動(dòng)載+扭轉(zhuǎn)荷載+沖擊荷載組合。

利用大型通用有限元軟件Ansys對(duì)前述幾種荷載工況進(jìn)行組合，經(jīng)過(guò)建模、調(diào)試，得到計(jì)算結(jié)果，選取部分云圖如圖5。

從計(jì)算結(jié)果看，在荷載工況2作用下，前斜撐受力明顯大于后斜撐，可以考慮將前斜撐做得強(qiáng)一些，后斜撐做得弱一些。但是在扭轉(zhuǎn)工況下，后斜撐與前斜撐受力相當(dāng)，可見(jiàn)前后斜撐的剛度不宜相差過(guò)大。另外，底座為應(yīng)力集中處，各種工況下的受力均接近最大值，因此底座的剛度應(yīng)加強(qiáng)處理。

五、模型加載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)是一門(mén)以結(jié)構(gòu)模型為對(duì)象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用現(xiàn)代化測(cè)試分析技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的技術(shù)操作。通過(guò)模型試驗(yàn)，工程技術(shù)人員能夠更加全面準(zhǔn)確地了解模型的各項(xiàng)力學(xué)性能。模型試驗(yàn)是理論分析的有益補(bǔ)充和驗(yàn)證。由于有限元分析的準(zhǔn)確度有限，要想獲知參賽結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)載成績(jī)，必須借助于模型加載試驗(yàn)來(lái)完成。圖6為模型加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐龍軍，李洋，許昊.全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題分析及建議[J].高等建筑教育，2012，21（3）：148-150.

[2]吳樟榮，章明卓，章旭健.以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為載體培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（2）：6-8.

[3]傅軍.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)的調(diào)查研究[J].實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)，2009，（12）：1124-126.

[4]顧凌赟，殷怡，徐燕，劉寶兵.全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽研究與競(jìng)賽指導(dǎo)初探[J].中國(guó)電力教育，2011，（23）：131-132.

[5]于洋.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中模型的設(shè)計(jì)與制作方法[J].科技資訊，2007，（18）：201-202.

（編輯 梁遠(yuǎn)華）

摘要：全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽計(jì)算書(shū)的撰寫(xiě)與指導(dǎo)是大賽的薄弱環(huán)節(jié)。文章針對(duì)第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題，闡述了模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)參賽模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析過(guò)程能夠?yàn)榻窈蟮膮①愡x手提供思路，對(duì)于指導(dǎo)教師參與指導(dǎo)撰寫(xiě)計(jì)算書(shū)也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；模型結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2014）04-0159-05

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽由教育部和中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦，是教育部確定的大學(xué)生九項(xiàng)科技競(jìng)賽之一。從2005年浙江大學(xué)承辦的第一屆，到2013年湖南大學(xué)承辦的第七屆，賽事日趨規(guī)范，為土木相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生提供了鍛煉綜合素質(zhì)、思維能力、動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)和專業(yè)素養(yǎng)的平臺(tái)。

隨著大賽的開(kāi)展，一些不足之外也日漸顯現(xiàn)。參賽學(xué)生只重視模型的制作，不重視理論分析，模型的設(shè)計(jì)過(guò)程具有一定的盲目性，不能將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)很好地運(yùn)用到模型設(shè)計(jì)與計(jì)算中，最終導(dǎo)致參賽隊(duì)伍的計(jì)算書(shū)質(zhì)量較差。這一點(diǎn)也引起了主辦單位的重視，承辦單位在制定競(jìng)賽規(guī)則和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，逐年加大了計(jì)算書(shū)和現(xiàn)場(chǎng)自述答辯環(huán)節(jié)的分值，旨在引起參賽選手和指導(dǎo)教師的注意，重視對(duì)參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的考察。

一、第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題

競(jìng)賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進(jìn)行加載測(cè)試。

模型采用大賽組委會(huì)提供的竹材料、膠水及工具現(xiàn)場(chǎng)制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。 制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型外圍長(zhǎng)度為400 mm±5 mm，寬度為150 mm±5 mm，高度為265 mm±5 mm；模型結(jié)構(gòu)物應(yīng)在圖1所示的陰影部分之內(nèi)。模型底面尺寸不得超過(guò)200 mm×150 mm的矩形平面。

三、荷載工況分析

此次比賽賽題的荷載并非事先確定的固定值或指定的荷載形式，而是在模型制作完成后各參賽隊(duì)推選一名選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺進(jìn)行加載測(cè)試。

模型的加載分為靜加載和動(dòng)加載兩部分：靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來(lái)體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動(dòng)加載通過(guò)參賽選手繞標(biāo)競(jìng)速來(lái)判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點(diǎn)都取決于參賽選手的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)參賽隊(duì)員的力學(xué)分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算能力和現(xiàn)場(chǎng)制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上，此次賽題的荷載分析十分復(fù)雜，需要制定多種荷載工況，以滿足計(jì)算與荷載組合的需要。

總的來(lái)說(shuō)，需要設(shè)定五種荷載工況，即靜載、奔跑時(shí)的動(dòng)載（如圖3.3.1中A點(diǎn)所示）、轉(zhuǎn)彎時(shí)的扭轉(zhuǎn)荷載（如圖3.3.1中C點(diǎn)所示）、跨欄落地時(shí)的沖擊荷載（如圖3.3.1中B點(diǎn)所示）和奔跑時(shí)產(chǎn)生的反復(fù)加載所造成的疲勞荷載。

（一）工況一：靜載

參賽選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺雙腳靜止站立于地磅秤重臺(tái)上，測(cè)量選手的總重量，這個(gè)過(guò)程即是靜載加載的過(guò)程。

參賽隊(duì)員穿著竹高蹺及輪滑鞋后，稱得的重量為75 kg，相當(dāng)于750 kN。由于靜載加載過(guò)程中始終為雙腳站立，因此每只模型上承受的靜荷載為750 kN的一半，即375kN。

參賽隊(duì)員在進(jìn)行靜載加載時(shí)，腳掌完全作用在踏板上，相當(dāng)于參賽鞋全面積范圍內(nèi)都在加載，因此可以簡(jiǎn)化為輪滑鞋外圍面積300 mm×100 mm內(nèi)的均布荷載，因此，均布荷載大小q1可按3750 kN/m計(jì)算。

（二）工況二：動(dòng)載（奔跑時(shí)）

繞標(biāo)競(jìng)速要求參賽選手穿著本隊(duì)制作的竹高蹺進(jìn)行繞標(biāo)跑或走，從而對(duì)模型產(chǎn)生動(dòng)力荷載作用。值得注意的是，動(dòng)力荷載的大小與作用面積與靜荷載完全不同，且差別較大，需要仔細(xì)分析。

首先，參賽隊(duì)員在奔跑過(guò)程中，只有一只腳著地，即身體的全部重量均由一只模型承擔(dān)。因此，此時(shí)作用在模型踏板上的作用力不是前面靜載作用的大小375 kN，而是選手總重量，即750 kN。

其次，在奔跑過(guò)程中，參賽選手的腳掌不是全部著落在踏板上，而是后腳掌懸空，前腳掌著地并施加作用力。因此，奔跑時(shí)的動(dòng)荷載作用在踏板上的作用面積與靜載作用面積并不一致，如圖4。經(jīng)過(guò)測(cè)量參賽隊(duì)員前腳掌的尺寸，再加上擴(kuò)散到輪滑鞋底的距離，最后計(jì)算出參賽隊(duì)員奔跑時(shí)踏板上的作用面積為100 mm×100 mm。將動(dòng)荷載作用簡(jiǎn)化為作用面積上的均布荷載，荷載集度q2可按7 500 kN/m計(jì)算。

（三）工況三：扭轉(zhuǎn)荷載（繞標(biāo)轉(zhuǎn)彎時(shí)）

在繞標(biāo)競(jìng)速過(guò)程中，要求參賽選手必須繞過(guò)直徑為30 cm的繞標(biāo)。選手在繞標(biāo)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，腳掌會(huì)施加給踏板及模型一個(gè)扭轉(zhuǎn)的作用，這對(duì)模型結(jié)構(gòu)極其不利。尤其是對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點(diǎn)抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比較薄弱，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)的損傷，甚至破壞。因此，在荷載工況中考慮扭轉(zhuǎn)情況是十分必要的。作用在模型上的扭轉(zhuǎn)作用可以簡(jiǎn)化為力偶的形式進(jìn)行計(jì)算。

（四）工況四：沖擊荷載（跨欄落地時(shí)）

在距離起點(diǎn)10 m處，設(shè)高度為35 cm的木結(jié)構(gòu)障礙板，要求參賽選手在繞標(biāo)往返過(guò)程中越過(guò)障礙板。從力學(xué)角度分析，在此項(xiàng)比賽環(huán)節(jié)中，選手跨越障礙板后落地時(shí)，會(huì)對(duì)模型結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用。尤其是選手在奔跑過(guò)程中，為追求速度，模型每次落地時(shí)都會(huì)承受一定的沖擊作用。

沖擊荷載的大小是很難計(jì)算的。本隊(duì)采用橋梁工程中的算法，將靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來(lái)估算沖擊荷載的大小。沖擊系數(shù)按照橋梁工程中的規(guī)定，取一般值，即μ=1.15～1.2。

（五）工況五：疲勞荷載

在繞標(biāo)競(jìng)速過(guò)程中，施加在模型結(jié)構(gòu)上的荷載也是不斷變化的，在動(dòng)荷載反復(fù)的加載卸載的過(guò)程中，對(duì)于模型結(jié)構(gòu)而言，也會(huì)產(chǎn)生一定的疲勞作用。

引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類(lèi)型：一種為常幅交變荷載，也叫循環(huán)應(yīng)力；另一種為變幅交變荷載。轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械零件常發(fā)生常幅疲勞破壞，吊車(chē)橋、鋼橋等結(jié)構(gòu)則主要是變幅疲勞破壞。竹高蹺模型在奔跑中的疲勞損傷即為變幅疲勞。

四、荷載組合與有限元計(jì)算

考慮以下五種荷載組合：靜載加載組合；動(dòng)載加載組合；動(dòng)載+扭轉(zhuǎn)荷載組合；動(dòng)載+沖擊荷載組合；動(dòng)載+扭轉(zhuǎn)荷載+沖擊荷載組合。

利用大型通用有限元軟件Ansys對(duì)前述幾種荷載工況進(jìn)行組合，經(jīng)過(guò)建模、調(diào)試，得到計(jì)算結(jié)果，選取部分云圖如圖5。

從計(jì)算結(jié)果看，在荷載工況2作用下，前斜撐受力明顯大于后斜撐，可以考慮將前斜撐做得強(qiáng)一些，后斜撐做得弱一些。但是在扭轉(zhuǎn)工況下，后斜撐與前斜撐受力相當(dāng)，可見(jiàn)前后斜撐的剛度不宜相差過(guò)大。另外，底座為應(yīng)力集中處，各種工況下的受力均接近最大值，因此底座的剛度應(yīng)加強(qiáng)處理。

五、模型加載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)是一門(mén)以結(jié)構(gòu)模型為對(duì)象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用現(xiàn)代化測(cè)試分析技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的技術(shù)操作。通過(guò)模型試驗(yàn)，工程技術(shù)人員能夠更加全面準(zhǔn)確地了解模型的各項(xiàng)力學(xué)性能。模型試驗(yàn)是理論分析的有益補(bǔ)充和驗(yàn)證。由于有限元分析的準(zhǔn)確度有限，要想獲知參賽結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)載成績(jī)，必須借助于模型加載試驗(yàn)來(lái)完成。圖6為模型加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 梁遠(yuǎn)華）