結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作與分析

王晨飛

摘要：大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽可以提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，增強(qiáng)大學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力。本文以中南地區(qū)第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的賽題“剛性橋墩單跨橋梁結(jié)構(gòu)”為例。從賽題簡介、結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化、結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬等過程進(jìn)行簡述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型；設(shè)計(jì)制作；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

創(chuàng)新實(shí)踐能力是高素質(zhì)人才的重要標(biāo)志，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)已成為高等學(xué)校教育與教學(xué)改革的重點(diǎn)和核心[1-2]。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽作為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的重要形式，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、綜合科技能力和工程實(shí)踐能力等方面發(fā)揮著重要作用[3]。為加強(qiáng)中南地區(qū)各高校間的交流與合作，2014年在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)舉行“中辰杯”中南地區(qū)第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽。

1. 賽題簡介

賽題背景為水平和豎向荷載作用下的剛性橋墩單跨橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁模型應(yīng)包括橋梁、橋面及橋墩支座等橋梁必要部分，橋面不要求滿鋪。要求橋面寬度在150mm-200mm范圍內(nèi)，橋面長度不小于橋墩的凈跨度。橋面在跨度中央（加載點(diǎn)處）的結(jié)構(gòu)寬度應(yīng)不大于200mm，結(jié)構(gòu)總高度不超過600mm。橋底以下應(yīng)保證有指定的通航空間。橋梁凈跨度（指長軸兩橋墩內(nèi)側(cè)之間的最小距離）不小于800mm，中部主航道500mm范圍內(nèi)未加載前通航凈空不小于150mm，要求該范圍內(nèi)不得有任何結(jié)構(gòu)或構(gòu)件阻礙船舶通航，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

橋梁模型加載模擬兩車道車輛荷載不利布置、水平剎車力和橫向風(fēng)力組合作用的工況，結(jié)構(gòu)在滿載時(shí)同時(shí)受到50kg的豎向荷載、沿橋面長度方向8kg的水平荷載以及垂直與橋面長度方向3kg的水平荷載，在三向力的作用下，模型結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的整體穩(wěn)定性，但同時(shí)也要防止結(jié)構(gòu)中桿件發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)破壞。

2. 結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化

考慮模型要承受豎向及兩個(gè)方向的水平荷載，初步方案利用竹皮優(yōu)越的抗拉性能，將竹皮制作成拉條，有效的將橋面桿件承受的部分豎向荷載通過拉條傳遞給立柱，兩端的拉條則有效分擔(dān)了結(jié)構(gòu)受到的沿橋長方向的水平荷載，斜撐也分擔(dān)了部分豎向荷載，但在滿載的情況下，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)總重量過大。最終方案（圖2所示）從解決橋面縱向桿件發(fā)生屈曲破壞入手，嘗試830mm的縱向水平桿分成三段，該結(jié)構(gòu)中立柱高度被大大降低了，且經(jīng)過多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)受力合理，整體穩(wěn)定性較好，滿載時(shí)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量也得到了有效的降低。

3. 結(jié)構(gòu)受力模擬

在假定基礎(chǔ)上，運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立計(jì)算模型，采用混合建模的方法，柱、撐桿采用BEAM188梁單元，拉條采用LINK180桿單元，計(jì)算模型如圖3所示。對橋梁結(jié)構(gòu)的位移和拉、壓應(yīng)力進(jìn)行分析（如圖4-圖6所示），計(jì)算結(jié)果表明，模型的最大位移為31.1mm，最大拉應(yīng)力為42.8MPa，最大壓應(yīng)力為18.0MPa，最大位移小于規(guī)定的最大允許位移40mm，最大應(yīng)力小于竹材的抗拉強(qiáng)度60MPa。在極限荷載作用下，下緣拉條會(huì)拉斷，主梁則會(huì)在最大壓應(yīng)力作用下，局部失穩(wěn)而失去承載能力，最大位移發(fā)生在跨中，最大拉應(yīng)力發(fā)生在下緣拉條，最大壓應(yīng)力發(fā)生在上部的主梁，與實(shí)驗(yàn)觀察的現(xiàn)象基本一致。

結(jié)語

本次大賽以竹橋?yàn)槔槍蛄耗Ｐ图虞d模擬兩車道車輛荷載不利布置、水平剎車力和橫向風(fēng)力組合作用的工況展開設(shè)計(jì)，要求學(xué)生熟悉剛性橋墩單跨橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握復(fù)雜靜力荷載組合作用下橋梁結(jié)構(gòu)的受力分析，對參賽選手提出了更高的要求。隨著土木工程專業(yè)的本科生教學(xué)水平的不斷提高，對實(shí)踐環(huán)節(jié)要求越來越高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽能全面考察學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用能力和動(dòng)手實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]周臻，童小東，尹凌峰，陸金鈺，繆志偉.依托結(jié)構(gòu)競賽構(gòu)建開放式創(chuàng)新研學(xué)平臺(tái)[J].高等建筑教育，，2011，20（6）：129-133.