全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽后總結(jié)和思考★

王 琪 陳 云* 姜寶石 李光范

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽后總結(jié)和思考★

王 琪 陳 云* 姜寶石 李光范

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

主要對(duì)參加第八屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型的設(shè)計(jì)、制作和性能測(cè)試進(jìn)行了賽后總結(jié)，闡述了在模型制作中有關(guān)結(jié)構(gòu)抗震和減震功能的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)剛度的合理分配以及構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)進(jìn)行多次改造，使構(gòu)件承載力不僅能夠滿足要求，還能具有一定的減震作用，從而達(dá)到質(zhì)量輕、承重大、抗震強(qiáng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗震，減震，節(jié)點(diǎn)連接

第八屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題是三重檐攢尖頂仿古樓閣模型制作與測(cè)試，賽題的大體結(jié)構(gòu)框架都已經(jīng)規(guī)定，雖然不能從模型主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)入手創(chuàng)新。但構(gòu)件的設(shè)計(jì)完全可以有所創(chuàng)新，譬如梁與柱的連接設(shè)計(jì)，柱子和頂層之間的連接方式以及構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)可以按“強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求來做，除此之外結(jié)構(gòu)的抗震和減震設(shè)計(jì)都可以通過構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)來達(dá)到。另外，對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度分配，應(yīng)遵循“從下往上，逐級(jí)遞減”的原則。

1 賽題回顧與分析

1.1 模型要求

模型結(jié)構(gòu)形式。大賽給定模型為三重檐攢尖頂仿古樓閣(見圖1)，模型現(xiàn)存實(shí)例可參見西安鐘樓。此次競(jìng)賽模型如圖1所示，共有3層，1層，2層分別設(shè)有屋檐。1層～3層樓面標(biāo)高(由底板上表面量至各樓層梁的上表面最高處)分別為0.24 m，0.42 m，0.60 m。該模型正是效仿了西安鐘樓古建筑的構(gòu)造特色，以其高臺(tái)基、柱腳的平擺浮擱、梁柱節(jié)點(diǎn)的半剛性榫卯連接、柱架的生起和側(cè)腳、梁端的雀替、枓栱鋪?zhàn)鲗右约啊按笪萆w”等特殊的營(yíng)造技術(shù)，使得古建筑木結(jié)構(gòu)有著不同于現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等建筑物的優(yōu)良抗震性能。

1.2 比賽規(guī)則和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

模型失效評(píng)判準(zhǔn)則。模型在進(jìn)行加載時(shí)，出現(xiàn)下列任一情形則判定為模型失效，不能繼續(xù)加載。同時(shí)將上一次加載級(jí)別視為該模型實(shí)際所通過的最高加載級(jí)別，并作為模型效率比計(jì)算的依據(jù)：1)模型中的任一構(gòu)件出現(xiàn)斷裂或節(jié)點(diǎn)脫開。2)配重脫落(包括配重條一端沿長(zhǎng)度1/3部分脫離其支撐構(gòu)件而另一端懸掛于結(jié)構(gòu)上情況)。3)第三級(jí)加載完畢：較加配重前，第1層屋檐的屋脊曲線段末端和檐口直線段中點(diǎn)沿鉛直方向下?lián)隙瘸^10 mm。模型效率的計(jì)算如式(1)和式(2)所示：

(1)

設(shè)Emax為所有參賽模型中的最高效率參數(shù)，第i參賽組模型加載表現(xiàn)分Ki的計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

其中，α為抗震調(diào)整系數(shù)，通過第一級(jí)加載取0.5，通過第二級(jí)加載取0.75，通過第三級(jí)加載取1.0。第一級(jí)加載失效者，為0。以上A～D各項(xiàng)得分相加，分?jǐn)?shù)最高者優(yōu)勝。

1.3 對(duì)競(jìng)賽評(píng)分規(guī)則的分析

此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽有三個(gè)加載階段，每一階段抗震系數(shù)分別為0.5，0.75，1.0。針對(duì)這一規(guī)則，我們分析得出：能否獲得獎(jiǎng)項(xiàng)的決定因素在于模型質(zhì)量的輕重。此次競(jìng)賽作品中質(zhì)量最輕的是上海交通大學(xué)的模型，其質(zhì)量為47.6 g。雖然沒有全部通過地震模擬加載，但是最終獲得了一等獎(jiǎng)。類似的，其他高校的模型質(zhì)量也很輕，但均未通過全部加載，依然能得到獎(jiǎng)項(xiàng)。我們此次競(jìng)賽雖然順利通過了所有加載，但是質(zhì)量太重，足有176 g。根據(jù)比賽評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，我們加載環(huán)節(jié)得分僅相當(dāng)于一個(gè)88 g的模型通過一級(jí)加載的得分，而在各個(gè)高校的模型加載中，質(zhì)量在80 g以內(nèi)的作品大多數(shù)很容易通過一、二級(jí)加載。因此，大多數(shù)高校的質(zhì)量都在80 g以內(nèi)，采取的是“保三等獎(jiǎng)，爭(zhēng)一等獎(jiǎng)”的策略。

2 對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

2.1 結(jié)構(gòu)柱子的剛度合理分配設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)需要滿足足夠抗震性能要求的建筑結(jié)構(gòu)而言，剛度的分配顯得尤為重要。首先，底層柱子不宜過剛或過柔。理論上，下柔上剛式的結(jié)構(gòu)有隔振的效果。由于底層柱子剛度小，其變形大，因此能消耗地震的能量，而底層以上各結(jié)構(gòu)由于剛度大，結(jié)構(gòu)變形小，故保持在彈性范圍內(nèi)。但是，對(duì)于底層柱子剛度不足的模型結(jié)構(gòu)，在地震模擬加載時(shí)會(huì)引起下柔上剛式結(jié)構(gòu)的破壞。在此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，某高校因采用下柔上剛式的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)導(dǎo)致在第一級(jí)地震加載時(shí)出現(xiàn)底層柱子的破壞。其原因就是忽略了底層柱子在承受水平方向荷載的同時(shí)，也要承擔(dān)起豎向荷載的作用。如果柱子在水平荷載作用下產(chǎn)生破壞，就不能承受豎向荷載，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)將不安定，甚至壓壞。這種下柔上剛式結(jié)構(gòu)失敗的原因就是忽略了柱子對(duì)于水平荷載及豎直荷載所引起的雙重作用。所以在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)各層柱子剛度分配的同時(shí)，既要考慮底層柱子的柔度，又要考慮其不會(huì)發(fā)生下柔上剛式的破壞。第2層和第3層柱子要做得相對(duì)柔一些。頂層的配重使得模型在加載時(shí)第3層結(jié)構(gòu)會(huì)承受很大的慣性力，柔性支撐會(huì)起到很好的減震效果，會(huì)減小地震產(chǎn)生的晃動(dòng)幅度，從而較好的保護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。如圖2所示為上海交通大學(xué)參賽模型，其框架結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，其中一些柔性支撐在模擬地震加載中可以消耗地震能量，從而達(dá)到減震的效果。但總體而言，模型結(jié)構(gòu)合理的剛度分配應(yīng)遵循“從下往上，逐級(jí)遞減”的原則。

同時(shí)值得注意的是，由于底層柱子的長(zhǎng)細(xì)比不宜過大，在滿足柱子剛度的同時(shí)，為了防止柱子因長(zhǎng)細(xì)比過大而失穩(wěn)，可以在柱子內(nèi)部按一定距離加隔板，但是隔板不宜布置的過疏或過密，過疏則起不到很好的效果，過密則在加載過程中會(huì)引起隔板過密處柱子部分應(yīng)力集中而導(dǎo)致其破壞。

2.2 構(gòu)件的連接方法及其抗震設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，可以采取“以柔克剛，摩擦耗能”的設(shè)計(jì)理念來制作抗震構(gòu)件。在梁和柱的連接上，可以采用類似古建筑的榫卯連接方式(如圖3所示)。榫卯的連接方式是介于鉸接和剛接之間的半剛性連接，它具有比剛接變形大而比鉸接變形小的特點(diǎn)。在模擬地震加載的過程中，梁柱的榫卯連接方式在水平反復(fù)荷載的作用下，榫卯節(jié)點(diǎn)由于榫和卯之間的滑移和限位轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦和擠壓變形，從而達(dá)到減震耗能的作用。對(duì)于懸臂構(gòu)件，由于懸臂構(gòu)件會(huì)承受較大的彎矩，導(dǎo)致其豎向位移過大，使節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。為了防止這種情況發(fā)生，可以改變懸臂構(gòu)件和柱子的連接方式，采用加腋的方式使懸臂構(gòu)件和柱結(jié)合成一個(gè)整體的剛性連接，在靠近節(jié)點(diǎn)部位可增大懸臂構(gòu)件的高寬比，增大截面慣性矩，從而可以有效改善構(gòu)件豎向位移過大導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)破壞。

2.3 構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)

構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)也應(yīng)按照“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的原則。構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)連接處易發(fā)生剪力破壞，節(jié)點(diǎn)處的連接有許多方法。例如，加腋或使用類似鋼結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)固結(jié)的連接方式等(如圖4所示)。

構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)有工字形、槽形、箱形、T形、L形、三角形、圓環(huán)形等。比如柱子構(gòu)件可以采用箱形、三角形、圓環(huán)形和L形，梁的設(shè)計(jì)可以適當(dāng)減弱，可做成工字形、T形或I形，甚至頂層的構(gòu)件里梁可以不用。構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)可以按其工作性能的需要來合理設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁”的原則。

3 結(jié)語(yǔ)

模型的制作要充分考慮到模型在加載過程中可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。首先，剛性結(jié)構(gòu)的模型承重大，加載過程中變形小，但節(jié)點(diǎn)處易發(fā)生因應(yīng)力集中導(dǎo)致的破壞，而且相對(duì)較重。而柔性結(jié)構(gòu)的模型與之恰好相反，柔性結(jié)構(gòu)在滿足承重的前提下，加載過程中變形大，可以消耗地震能量，達(dá)到減震的效果。所以合理的剛度分配是在模型的設(shè)計(jì)和制作中至關(guān)重要的一步。其次，對(duì)于這種仿古建筑而言，可以借鑒古建筑的方式。榫卯的連接方式是古建筑中十分常見的，榫卯連接方式可以通過摩擦耗能，并且可以發(fā)生限位轉(zhuǎn)動(dòng)，這種連接方式十分有利于抗震。最后，構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到其受力的特點(diǎn)，從而采取不同的截面設(shè)計(jì)方式。通過多次地震加載試驗(yàn)，可以測(cè)試不同種截面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。大體而言，構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則來制作模型。在這次比賽中，雖然我們的模型沒有得獎(jiǎng)，但順利通過了三級(jí)加載。由于沒有振動(dòng)臺(tái)，無法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，所以模型的制作偏向保守。我們制作的模型是剛性結(jié)構(gòu)，所以在人工實(shí)驗(yàn)過程中，只要發(fā)生節(jié)點(diǎn)破壞，就對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)進(jìn)行多次改進(jìn)，使其能在加載中承受更大的慣性力。比賽加載的效果也充分展示了其節(jié)點(diǎn)的牢固性，并順利通過加載。然而，我們對(duì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)不合理，沒有有效地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，這也是我們模型的一大缺陷。圖5為我們的參賽模型。

這次參加競(jìng)賽，讓我們受益匪淺。通過相互學(xué)習(xí)，我們學(xué)到了很多優(yōu)秀作品的設(shè)計(jì)方法和形式。通過賽后分析，將一些優(yōu)秀作品的設(shè)計(jì)方法總結(jié)下來。優(yōu)秀的作品不僅在以上各方面設(shè)計(jì)中面面俱到，而且模型的設(shè)計(jì)也是千奇百怪，新穎獨(dú)特。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用，更是打開了土木人的眼界，讓我們?nèi)ヌ剿鹘Y(jié)構(gòu)的奧秘，讓我們深深感受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)土木工程莘莘學(xué)子巨大的魅力。

[1] 張 帥.殿堂式鋼筋混凝土仿古建筑抗震設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2012.

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[4] 姚 侃,趙鴻鐵,葛鴻鵬.古建木結(jié)構(gòu)榫卯連接特性的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2006(10):168-173.

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Summary and reflection of national structure design contest for college students★

Wang Qi Chen Yun* Jiang Baoshi Li Guangfan

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HainanUniversity,Haikou570228,China)

This paper mainly summarizes experience for the design, production process, and mechanical properties of the fabricated model for the 8th national structure design contest for college students. In addition, the energy dissipation design of the structure, the reasonable distribution of structural stiffness, and the connecting methods of the components are also introduced. Through multiple improvements for structural design, it not only makes components bearing capacity meet demands, but also has certain shock absorption role, so as to achieve the design targets of light weight, large bearing and strong seismic resistance.

structural design, anti-seismic, shock absorption, components connecting

2015-05-22★:國(guó)家自然科學(xué)基金資助(項(xiàng)目編號(hào)：51408170)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(課題編號(hào)：2012BAJ13B02)；海南省自然科學(xué)基金資助(項(xiàng)目編號(hào)：514208)

陳 云(1980- )，男，博士，講師

1009-6825(2015)22-0221-02

G642.0

A