基于綠色節(jié)能的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的探索研究

王 坤

安徽省淮南市安徽理工大學(xué)

基于綠色節(jié)能的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的探索研究

王 坤

安徽省淮南市安徽理工大學(xué)

從完成競賽所需的結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算分析、模型制作等環(huán)節(jié)出發(fā)，系統(tǒng)的闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽所需注意的事項(xiàng)以及在設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的過程中獲得對結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對創(chuàng)新的理解與實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽；模型；創(chuàng)新

1 引言

“第十屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽”是由高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會、中國土木工程學(xué)會教育工作委員會主辦的全國性賽事，旨在通過競賽加強(qiáng)全國各高校的交流，提高土木工程領(lǐng)域?qū)W生的實(shí)踐能力，訓(xùn)練同學(xué)們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的科學(xué)方法，全面提高土木工程專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)。

2 賽題分析

本次賽題立足于結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)（承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)）的基本概念，融入剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。根據(jù)競賽要求，比賽使用的材料為不同規(guī)格的竹條與竹皮，該竹制模型需要分兩階段進(jìn)行承重加載，加載規(guī)則如下:A第一階段加載過程中，出現(xiàn)以下情況，則終止加載。本級加載及以后級別加載成績?yōu)榱悖吹诙壖虞d出現(xiàn)此情況，加載項(xiàng)成績算第一級加載成功的成績）；（1）模型結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆、垮塌；（2）屋面桿件脫落；除柱（斜撐）外，不能有任何構(gòu)件觸地。小桿件可能斷開，節(jié)點(diǎn)脫開，但不落地，則認(rèn)為加載成功；（3）撓度超過允許撓度限值[ω]的1.10倍。B第二階段（1）加載過程中，若模型結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆、垮塌，則終止加載，本級加載及以后級別加載成績?yōu)榱悖吹谌壖虞d出現(xiàn)此情況，加載項(xiàng)成績算第二級加載成功的成績）；（2）加載過程中，若模型結(jié)構(gòu)未發(fā)生整體傾覆、垮塌，但有局部桿件的破壞、脫落或過大變形，則可繼續(xù)加載。

3 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)拱結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，模型上弦梁采用超靜定拱結(jié)構(gòu)；拱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與梁式結(jié)構(gòu)有根本的不同，梁結(jié)構(gòu)以受彎為主，但合理的拱幾乎可以不出現(xiàn)彎矩，拱只受到壓力作用。

主索懸?guī)侵魇芰?gòu)件，整橋的豎向荷載由預(yù)應(yīng)力索承擔(dān)，可充分發(fā)揮竹材的抗拉能力；屋面結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行加載，即可作為受壓構(gòu)件平衡拱的水平力，也可充分發(fā)揮竹材的抗壓能力；中間的主柱排架作為次結(jié)構(gòu)，以減少跨度--整個(gè)結(jié)構(gòu)自身固平衡，所有材料無一點(diǎn)浪費(fèi)。它與正常的系桿拱橋相比：第一，省材料，正常拱產(chǎn)生的是水平推力，只能用受拉構(gòu)件來平衡；而上承式懸?guī)Я菏堑构?，產(chǎn)生的是水平壓力，屋面可以直接作為壓桿來平衡，節(jié)省了一組受力構(gòu)件；第二，施工方便，上承式懸?guī)Я鹤韵露鲜┕?，懸?guī)Э梢灾苯幼鳛橹髦偶芎臀菝媪喊宓氖┕て脚_，不需要另外支設(shè)腳手架；考慮到竹材的抗彎性能較差，所以上弦梁的拱形結(jié)構(gòu)并不高，避免因拱水平推力過大，使拱結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲而倒塌。

4 結(jié)構(gòu)特色

4.1預(yù)應(yīng)力組合梁的設(shè)計(jì)，充分利用了竹材的抗拉性能，使用拉索對梁施加預(yù)應(yīng)力，使梁的中間輕微起拱，可有效地增加梁的剛度，減小了承載時(shí)的撓度變形，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)提高了梁的整體凈空高度。

4.2為了控制模型的質(zhì)量，使用厚度為0.5mm的竹皮制成10mm×10mm的箱型截面柱，且柱設(shè)有箍筋；屋蓋使用上承式懸?guī)Я?交叉結(jié)構(gòu)。梁與柱子之間采用502膠水進(jìn)行榫式黏結(jié)，增強(qiáng)局部穩(wěn)定性，并且方便于構(gòu)件的制作與黏結(jié)。

4.3在組合梁的交叉部分，采用的是榫接，輔以502膠水進(jìn)行黏結(jié)后，結(jié)構(gòu)的整體性較強(qiáng)。這樣設(shè)計(jì)的屋蓋結(jié)構(gòu)，既能大量節(jié)省材料，又能避免撓度疊加帶來的變形過大等問題。

4.4考慮到加載不能對稱，模型易發(fā)生側(cè)向及扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，在柱子頂端與承臺板之間設(shè)有8根斜拉索，以保證模型的整體穩(wěn)定性。

5 基本假定

5.1模型的構(gòu)件采用比賽提供的竹皮與竹條制作，各構(gòu)件之間采用502膠水黏結(jié)，初步計(jì)算時(shí)不考慮溫度應(yīng)力引起材料的膨脹或收縮且不考慮膠水厚度的影響，將構(gòu)件作為等厚度閉口薄壁截面進(jìn)行計(jì)算。

5.2兩個(gè)上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)上弦梁交叉連接處和下弦梁交叉連接處均采用卡槽連接，并采用 502膠水進(jìn)行黏結(jié)，在計(jì)算時(shí)按剛接進(jìn)行考慮。

5.3柱腳與底板連接處，采取柱腳連接件加強(qiáng)，在一定程度上限制了其自由轉(zhuǎn)動，計(jì)算時(shí)按剛接考慮。

5.4斜拉索與承載板之間采用連接件連接，連接件與承載板和斜拉索之間采用膠水黏結(jié)，在計(jì)算時(shí)按剛接進(jìn)行考慮。

5.5斜拉索與柱頂上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)端口上部之間采用連接件連接，連接件與柱頂上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)端口上部和斜拉索之間采用膠水黏結(jié)，在計(jì)算時(shí)按剛接進(jìn)行考慮。

5.6上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)端口與柱頂之間、上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)上弦梁與各腹桿和斜撐之間、上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)下弦梁與各腹桿和斜撐之間、上承式懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)端口處上弦梁與下弦梁之間均采用卡槽連接，并采用502膠水進(jìn)行黏結(jié)，在計(jì)算時(shí)按剛接進(jìn)行考慮。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

設(shè)計(jì)過程是個(gè)不斷對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程，要得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，必須經(jīng)過反復(fù)的試算、不斷更改截面或構(gòu)件，直到設(shè)計(jì)出較為合理的結(jié)構(gòu)形式，所以計(jì)算工作十分的復(fù)雜，因此在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過程中，需要采用合適的有限元分析軟件來進(jìn)行分析及截面的校核工作。本次競賽我們采用的分析軟件為midas Gen。步驟先是建立模型，再輸入相應(yīng)的參數(shù)，然后是圖形及數(shù)據(jù)的輸出，最后是分析與優(yōu)化改進(jìn)。

7 模型制作

在進(jìn)行模型制作時(shí)一定要將結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸及搭接方式有一個(gè)詳細(xì)計(jì)劃，在組裝過程中有一些構(gòu)件有較多接口，在處理時(shí)需要反復(fù)測試，因?yàn)檫@些構(gòu)件的制作及拼裝所用的時(shí)間決定了整個(gè)模型的制作時(shí)間，也就是說能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能否完成模型，同時(shí)模型的變形限制是否可以滿足條件,節(jié)點(diǎn)的制作處理一直是模型制作中必須予以重點(diǎn)考慮的，它是發(fā)揮承載潛能的重要一環(huán)。在理論計(jì)算中，構(gòu)件與構(gòu)件的聯(lián)結(jié)方式或是鉸結(jié)或是固結(jié)。而在實(shí)際操作中這些連接方式都是理想化的。因此，構(gòu)件實(shí)際受力就會與節(jié)點(diǎn)制作方式有很大關(guān)聯(lián)。在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可知梁和柱的連接處必須予以重視。計(jì)算表明這處的彎矩最大，在制作工程中必須要將其做成剛接點(diǎn)，才能有效的傳遞彎矩。

[1]項(xiàng)海帆.橋梁概念設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]于洋,姜峰,司炳君,檀永剛,等.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中模型的設(shè)計(jì)與制作方法[J].科技咨詢,2007(18).

項(xiàng)目級別：安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

項(xiàng)目號：201610361183

項(xiàng)目名稱：建筑節(jié)能技術(shù)的研究與建立新型智能化復(fù)合建筑節(jié)能系統(tǒng)

王坤（1994.10--），男，學(xué)生，安徽理工大學(xué)，安徽省淮南市田家庵區(qū)，郵編232001