大跨度結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與制作

王建東 鄒名浩 鄭俊超 徐學(xué)飛 曹曉影 郁嘉誠(chéng)

摘 要：以第九屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，闡述大跨度結(jié)構(gòu)（高架橋）模型的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，并分析了該模型的特點(diǎn)與受力特性。題目要求學(xué)生在一定的專(zhuān)業(yè)理論基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行受力狀態(tài)的模擬分析，逐步對(duì)作品進(jìn)行改良，最終確定較合適的結(jié)構(gòu)模型。賽題還要求學(xué)生學(xué)習(xí)和利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，充分培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。該作品最終取得了優(yōu)異的成績(jī)，其結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)思路以及制作方法對(duì)今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 競(jìng)賽 高架橋 模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU318.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0054-02

“建工杯”全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽在昆明理工大學(xué)隆重開(kāi)幕，此次賽題采用了以滇緬公路為現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)制作兩段連接山體的橋梁模型，不僅響應(yīng)了抗日勝利70周年的大背景，也很好地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的價(jià)值。該文從競(jìng)賽要求出發(fā)，對(duì)參賽作品——“浩影東飛”的設(shè)計(jì)和制作思路進(jìn)行全面介紹與分析，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的模型設(shè)計(jì)和制作有很好的借鑒作用。

1 賽題與要求

競(jìng)賽賽題是制作“兩段山體模型”。整體模型是由給定的山體模型、制作的橋梁模型和作為底座連接用的承臺(tái)板3部分組成。給定的山體模型包括虎口、隧洞和棱臺(tái)模型。承臺(tái)板的標(biāo)高±0.00 m，虎口山體虎口底面的標(biāo)高為﹢0.14 m，隧洞山體洞口底面的標(biāo)高為﹢0.30 m，棱臺(tái)山體山頂平面的標(biāo)高為﹢0.20 m。橋梁模型由A、B兩段橋依山而成。A橋段結(jié)構(gòu)要求所有構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)均采用給定竹材與502膠水手工制作完成。B橋段結(jié)構(gòu)的桿件采用給定竹材和502膠水手工制作，節(jié)點(diǎn)及連接部件采用給定的ABS塑料3D打印而成，最終B段橋梁結(jié)構(gòu)由桿件與節(jié)點(diǎn)及連接部件裝配而成，裝配過(guò)程中不允許使用502膠水，并且A、B橋段結(jié)構(gòu)橋面板制作時(shí)要求滿鋪，不允許有空隙。同時(shí)B橋段在指定位置設(shè)有減速帶。連接用承臺(tái)板主要用來(lái)承托給定的山體模型和制作的橋梁模型，模型與承臺(tái)板用自攻螺釘通過(guò)連接件連接，承臺(tái)板采用生態(tài)實(shí)木板。承臺(tái)板上設(shè)有一條具有一定寬度的模擬河流流經(jīng)A、B橋段，為便于通航，河道內(nèi)不允許設(shè)置橋墩。詳見(jiàn)模型三維透視圖（圖1）。

賽題最終是以?xún)杉?jí)動(dòng)荷載（載重小車(chē)）在一定速度下安全通過(guò)為得分準(zhǔn)則，再結(jié)合模型質(zhì)量、模型設(shè)計(jì)方案和制作的工藝進(jìn)行綜合評(píng)分。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 概述

現(xiàn)代橋梁分為梁式橋、拱式橋、鋼架橋、懸索橋、組合體系橋等基本類(lèi)型[1-2]。此次競(jìng)賽賽題對(duì)學(xué)生的結(jié)構(gòu)知識(shí)運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等提出了更高的要求，挑戰(zhàn)性非常強(qiáng)。這既要求選手們從實(shí)際出發(fā)，參考諸多橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又需要加入一些創(chuàng)新理念，最終形成設(shè)計(jì)方案。

2.2 模型設(shè)計(jì)與理念

2.2.1 橋墩設(shè)計(jì)

橋墩不僅是傳遞縱向荷載的主要構(gòu)件，也是支撐橋梁和連接承臺(tái)板的主要構(gòu)件。這要求橋墩頂部、底部有合理的外形設(shè)計(jì)，有效地與橋梁和承臺(tái)板相連，能夠承受賽題所提供的靜（動(dòng)）荷載等，同時(shí)要盡量減輕橋墩的質(zhì)量。因此模型采用變截面箱型柱，并在墩腳處粘結(jié)翼板并打孔。同時(shí)考慮到柱子彎矩是從頂部到底部逐漸增大的趨勢(shì)，所以采用變截面箱型柱來(lái)滿足承載要求。再將柱頂截面增大，使橋墩與橋梁連接更穩(wěn)定的同時(shí)，避免了橋墩因受集中力而破壞的情況發(fā)生；在柱底部設(shè)置翼板并打孔，有效地增大了橋墩通過(guò)自攻螺釘與承臺(tái)板連接時(shí)的強(qiáng)度。

2.2.2 橋梁設(shè)計(jì)

橋梁是承受行車(chē)靜（動(dòng)）荷載的主體結(jié)構(gòu)。當(dāng)小車(chē)行駛在橋梁上時(shí)，車(chē)輛動(dòng)荷載通過(guò)4個(gè)車(chē)輪傳遞給橋梁，由橋梁傳遞給橋墩、再傳遞給承臺(tái)板。4個(gè)車(chē)輪與橋梁作用點(diǎn)可簡(jiǎn)化成4個(gè)集中力作用點(diǎn)，為了使橋梁可以承受集中力，在相應(yīng)輪距下設(shè)置兩根箱型梁，同時(shí)為保證車(chē)的行駛速度，拓寬行車(chē)道，在垂直箱型梁縱截面處增加勁肋。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

手工節(jié)點(diǎn)的制作，用502膠水將各部件拼接在一起即可。結(jié)點(diǎn)要保證連接可靠性的同時(shí)使質(zhì)量最優(yōu)化。

設(shè)計(jì)3D打印節(jié)點(diǎn)時(shí)，既要使節(jié)點(diǎn)和桿件有效連接，又要考慮節(jié)點(diǎn)的可操作性和質(zhì)量等因素。

2.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案完成后，理論驗(yàn)算成為制作模型前的重要準(zhǔn)備工作。該工作分為手算與電算校合兩部分。手算部分是結(jié)合賽題，將結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化，找出在靜（動(dòng)）荷載作用下的最不利位置，利用所學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)等知識(shí)[3-4]，分別進(jìn)行計(jì)算，來(lái)檢驗(yàn)各桿件的承載能力和剛度。

電算部分是借助有限元軟件進(jìn)行建模分析。常用的軟件ANSYS、SAP200和MIDAS等。圖2和圖3是利用MIDAS進(jìn)行的橋梁驗(yàn)算結(jié)果圖。具體驗(yàn)算包括承載能力驗(yàn)算、剛度驗(yàn)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算、位移驗(yàn)算等。

3 模型的制作

根據(jù)上述模型的設(shè)計(jì)理念和計(jì)算結(jié)果，先完成各桿件的制作，同時(shí)將B段的各3D節(jié)點(diǎn)逐個(gè)打印，然后進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)拼接和細(xì)部的處理，最終制作而成的模型照片（見(jiàn)圖4）。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合賽題，模型既采用了實(shí)際工程上的結(jié)構(gòu)形式，又有天馬行空似的創(chuàng)新點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，只有靈活運(yùn)用力學(xué)理論到實(shí)踐中，才能最大限度地提高設(shè)計(jì)和制作水平。希望該文對(duì)熱衷于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同學(xué)有所借鑒和幫助。

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