四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽探析

楊燈　韋濤　黃巍

摘要：文章根據(jù)四川省首屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽橋梁工程組的競(jìng)賽細(xì)則，結(jié)合對(duì)材料的性能分析，通過(guò)方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模、受荷分析和模型制作五個(gè)方面，介紹了三跨連續(xù)橋梁承重模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型制作方法。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；三跨連續(xù)橋梁；承重模型；模型設(shè)計(jì)；模型制作 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU318 文章編號(hào)：1009-2374（2015）05-0193-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0428

為深入推進(jìn)土木工程人才培養(yǎng)模式改革，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)大學(xué)生工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，促進(jìn)四川省高校大學(xué)生相互學(xué)習(xí)和交流。在2014年11月中旬如期舉辦了“2014首屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，這是繼全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽之后，四川省高校土木工程專業(yè)學(xué)子的又一次重大賽事。競(jìng)賽由四川省教育廳主辦，西南交通大學(xué)承辦。競(jìng)賽題目為“三跨連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)承重競(jìng)賽”，要求設(shè)計(jì)自重在一定范圍內(nèi)且有較大承載能力的橋梁模型。首屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的成功舉辦具有里程碑的意義。

1 競(jìng)賽細(xì)則

競(jìng)賽組委會(huì)統(tǒng)一提供PVC塑膠板（2mm厚）、鉛發(fā)絲線、橡皮圈、白卡紙和AB膠三種材料，各參賽隊(duì)設(shè)計(jì)、制作模型僅限于使用以上材料。其中軟質(zhì)PVC塑膠板：厚度2mm，用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件；鉛發(fā)絲線：用于模擬懸索橋的主纜和斜拉橋的拉索；橡皮圈：為斜拉橋的拉索和懸索橋的主纜提供彈力；白卡紙：僅用于模型橋面的制作。結(jié)構(gòu)模型的總重量不超過(guò)1000g，對(duì)加載成功的模型根據(jù)荷重比和撓度綜合算分排名。橋梁的類型不限，但必須保持主梁和橋面為連續(xù)的，模型的縱橋向長(zhǎng)度要求在區(qū)間（1770，1790）mm范圍內(nèi)，橫橋向?qū)挾纫笤趨^(qū)間（200，250）mm范圍內(nèi)，橋面縱坡控制在3.0%。模型橋面以上須保證不小于寬200mm×200mm的橋面通行凈空，以用于移動(dòng)小車加載。模型加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共設(shè)置4個(gè)支座，位于一條直線上，兩端支座中線水平間距為1770mm，2個(gè)中間支座可以左右移動(dòng)，可以升降，支座均可為模型提供豎向約束和水平約束，但不提供轉(zhuǎn)動(dòng)約束。模型各跨中需設(shè)集中荷載吊點(diǎn)施加靜荷載，小車移動(dòng)荷載停在最不利跨中，總承重26kg，荷載值達(dá)達(dá)260N。

2 主要材料性能分析

PVC板屬于正交異性板，彈性模量E=1.5～15MPa，取樣板長(zhǎng)60.1cm，寬15.2cm的PVC板，稱其質(zhì)量為85g，通過(guò)計(jì)算其密度大致為465.2kg/m3。通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沿順紋方向裁剪PVC板所得桿件強(qiáng)度高，可以達(dá)到最高強(qiáng)度30MPa左右，適合做拉壓桿構(gòu)件，而垂直于順紋方向強(qiáng)度很低，不適合作為結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件；白卡紙質(zhì)量輕且強(qiáng)度高，但單層紙張穩(wěn)定性不好，所以用白卡紙制作橋面時(shí)需要解決其穩(wěn)定性的問(wèn)題；鉛發(fā)絲線屬于柔性材料，適用于制作斜拉橋和懸索橋的拉索。

3 方案構(gòu)思

根據(jù)競(jìng)賽的基本競(jìng)賽規(guī)則：在一定的材料下制作橋梁，如果所設(shè)計(jì)的橋梁在滿足加載的情況下品質(zhì)較輕且變形小即可以獲得勝利，當(dāng)然還要考慮創(chuàng)新性、美觀性等其他附加條件。實(shí)際工程中要求建筑具有“安全性、適應(yīng)性、耐久性”，基于競(jìng)賽規(guī)則和實(shí)際工程特點(diǎn)，隊(duì)員們提出了“輕質(zhì)高強(qiáng)、安全可靠、精致美觀”的設(shè)計(jì)理念。圍繞著這個(gè)設(shè)計(jì)理念對(duì)整體方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了構(gòu)思，主要步驟為：（1）根據(jù)大賽尺寸要求，初步確定橋梁的跨度，高度和寬度；（2）根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和資料分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，設(shè)計(jì)出滿足要求的橋梁大體模型；以實(shí)際情況為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)尺寸，提取出計(jì)算簡(jiǎn)圖；（3）利用SM-solver和sap2000等軟件繪制出模型效果圖，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載模擬，進(jìn)行受力分析，計(jì)算出各梁、桿件的軸力、剪力和彎矩等，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿足承載力要求、剛度要求和穩(wěn)定性要求；（4）進(jìn)行模型的實(shí)際制作，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)構(gòu)選型

4.1 整體選型

結(jié)合本次競(jìng)賽的各材料的性能對(duì)斜拉橋、懸索、拱橋、桁架橋、梁式橋進(jìn)行了比較分析，分析發(fā)現(xiàn)用于大跨度橋的斜拉橋和懸索橋雖然質(zhì)量可以很輕，但在較大的荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大撓度和振動(dòng)，雖然鉛發(fā)絲線抗拉強(qiáng)度高，但PVC板做成主塔抗壓也不太合適，這兩種橋型不是最好的選擇；拱橋承載力高，但對(duì)材料的抗壓要求也很高，在施工上PVC板不宜制作拱圈，使用不當(dāng)會(huì)浪費(fèi)很多材料；梁式橋承載能力強(qiáng)，但跨中彎矩大，不易控制其跨中撓度；桁架橋穩(wěn)定性好，剛度大，適合與其他橋型組合運(yùn)用。綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求以及材料的最省原則，分析后決定采用梁式橋和桁架橋的組合體系。它既具有梁式橋承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有桁架橋剛度大的特點(diǎn)，并且自重也很輕，兩者結(jié)合可以充分發(fā)揮材料性能，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的。

4.2 桁架選型

為盡量節(jié)省材料，將桁架設(shè)置在縱梁的下方，做成上承式結(jié)構(gòu)，這樣橋面就具有足夠的空間，考慮到中間梁跨中部有集中荷載，并且集中荷載較大，為均勻分布力，選擇力——橫梁——縱梁——桁架和支座的傳力路徑。根據(jù)材料抗拉性能強(qiáng)的特性，選擇的桁架要盡量使受拉桿件多一些，受壓桿件少。通過(guò)縝密思考和大量實(shí)驗(yàn)，決定下部桁架只設(shè)置在兩根邊梁的下方，中間梁跨中點(diǎn)采用用塔式支撐的辦法，將集中荷載均勻地分散到兩邊桁架，以達(dá)到均勻受力的效果。這樣的桁架形式不僅充分節(jié)省了材料，并且具有很強(qiáng)的承載能力，模型剛度大，穩(wěn)定性好。

5 結(jié)構(gòu)建模

對(duì)于支座的布置，通過(guò)軟件SM-solver比較分析了等跨和不等跨兩種情況，發(fā)現(xiàn)不等跨布置優(yōu)于等跨布置，理想的不等跨布置可以使模型三跨跨中最大彎矩達(dá)到等值，使得模型總體受力均勻。模型采用三根連續(xù)縱梁，對(duì)于縱梁的截面形式，比較分析了T形、三角形和箱形截面，最終根據(jù)受力和施工等方面的綜合考慮，決定采用高寬比為2∶1的箱形截面，其他的拉壓桿件基本采用矩形截面形式。值得一提的是中間塔式支撐的壓桿，充分利用了PVC板的正交異性，采用T形截面，具有很高的抗壓能力和穩(wěn)定性。

6 受力分析

在結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)件的計(jì)算參數(shù)，利用軟件sap2000，模擬施加三期荷載，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠駶M足要求。其中，一期荷載為各跨中30N恒荷載和80N小車的移動(dòng)荷載；二期荷載將靜荷載增加至各跨中60N；第三期荷載是在二期荷載的基礎(chǔ)上施加振動(dòng)荷載。通過(guò)模擬，繪制出結(jié)構(gòu)模型內(nèi)力圖和變形圖。結(jié)合所得的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析認(rèn)為該模型結(jié)構(gòu)整體受力均勻、承載能力強(qiáng)、剛度大、穩(wěn)定性好滿足變形和抗振的要求。模型整體質(zhì)量為700g，整體撓度最大值不超過(guò)1mm。結(jié)果充分說(shuō)明了模型的可靠性，滿足“輕質(zhì)高強(qiáng)、安全可靠”的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)然，通過(guò)軟件模擬的結(jié)果和實(shí)際結(jié)果可能會(huì)有不一致，誤差主要來(lái)自于計(jì)算的假設(shè)上，比如軟件模擬時(shí)桁架的各節(jié)點(diǎn)是完全鉸接，但在實(shí)際的模型制作中是不能實(shí)現(xiàn)完全鉸接的。

7 模型制作

競(jìng)賽的模型制作時(shí)間要求控制在20h之內(nèi)，這給每個(gè)參賽隊(duì)伍都帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)，怎樣在限定的時(shí)間內(nèi)完成桿件的裁剪與粘接、模型的組合等工作，成了必須要思考的問(wèn)題。在此模型制作過(guò)程中，值得一提的是節(jié)點(diǎn)的制作和橋面的制作兩方面，這也是本次模型制作中的兩大特色：（1）節(jié)點(diǎn)制作：拉桿與縱梁的節(jié)點(diǎn)處，預(yù)留拉桿90mm長(zhǎng)的一段不涂膠水，因此，本來(lái)一根矩形拉桿就可以在90mm一段距離內(nèi)分成兩部分，將其粘接于主梁上，粘接相當(dāng)牢固，也充分節(jié)省了材料。桿件匯集的節(jié)點(diǎn)處通過(guò)精心設(shè)計(jì)，達(dá)到無(wú)縫粘接的效果，外部采用心形貼片，增強(qiáng)了模型的美感，達(dá)到了精致美觀的效果。（2）橋面制作：橫梁間間距大，如果單用白卡紙制作橋面，則橋面剛度和穩(wěn)定性難以得到保證，小車通過(guò)時(shí)容易產(chǎn)生凹陷，使得小車不能順利通過(guò)，所以在橫梁上布置了三條紙帶，并施加了預(yù)應(yīng)力；在橫梁間的縱梁上布置小型襯墊，使之與橫梁平齊。通過(guò)這兩種方式的結(jié)合，在保證橋面剛度和穩(wěn)定性的前提下節(jié)省了不少材料。通過(guò)近19h的努力制作，最終提交了一份滿意的答卷。整個(gè)競(jìng)賽過(guò)程中團(tuán)隊(duì)成員相互鼓勵(lì)，配合默契，雖然辛苦，但是心里感覺(jué)很踏實(shí)。

8 結(jié)語(yǔ)

此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽我們緊緊圍繞“輕質(zhì)高強(qiáng)、安全可靠、精致美觀”這一設(shè)計(jì)理念展開(kāi)，并且達(dá)到了這樣的要求。模型在實(shí)際加載過(guò)程中，取得了很好的成績(jī)。一期加載撓度值為0.9mm，二期加載撓度值為1.3mm，滿足振動(dòng)荷載要求，檢驗(yàn)了模型設(shè)計(jì)的正確性。

這次競(jìng)賽培養(yǎng)了參賽選手的創(chuàng)新思維和實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)了學(xué)生在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作方面有了很大提高。在模型交流會(huì)中，各高校學(xué)子共同探討，收獲頗多，同學(xué)們思維的活躍性和創(chuàng)新性值得贊賞和學(xué)習(xí)。

首屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成功舉辦，為四川省下一屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽做了良好的鋪墊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽今后會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展，也為川內(nèi)學(xué)子參加全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

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作者簡(jiǎn)介：楊燈（1993-），男，四川瀘州人，就讀于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)；韋濤

（1994-），四川瀘州人，就讀于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)；黃?。?993-），男，四川南充人，就讀于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)。

（責(zé)任編輯：王 波）