渡槽支承系統(tǒng)竹質(zhì)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作

高璠 付旭 李茜 王大光 劉曉立 王江 蹇志權(quán) 張冠宇 游業(yè)剛 李立斌

摘 要：以第一屆河北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，介紹了參賽作品的設(shè)計(jì)與制作全過(guò)程，該作品采用了有限元軟件進(jìn)行驗(yàn)算與分析，并且最終加載成功。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽以制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，除了要求結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)的承載力以外，還需要具有較高的輸水效率，并且對(duì)竹材的用量也有嚴(yán)格的要求，模型的制作難度非常大。文章的設(shè)計(jì)思路和模型的制作方法對(duì)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；模型制作；邁達(dá)斯；渡槽

中圖分類(lèi)號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0001-04

Abstract： With the background of the first college students' structural design competition in Hebei Province， this paper introduces the whole process of the design and production of the entries， which is checked and analyzed using the finite element software， and is finally loaded successfully. The aim of this structural design competition is to make the aqueduct supporting system structure， which not only requires the structure to have strong bearing capacity， but also needs to have a high efficiency of water conveyance， and it also has strict requirements on the amount of bamboo timber used. The making of the model is very difficult. The design idea and the model making method of the paper can provide reference for the structure design competition.

Keywords： structural design； competition； model making； Midas； aqueduct

我國(guó)的淡水資源總量為2.8124萬(wàn)億m3，人均水資源量?jī)H有2300m3，屬于干旱缺水的國(guó)家。由于我國(guó)的地理位置同時(shí)跨越高、中、低三種維度，使得水資源在時(shí)間、空間分配上極不均勻，從時(shí)間分配來(lái)看，具有夏秋多、冬春少的特點(diǎn)；從空間上來(lái)看，南方多、北方少，其中寧夏、河北等6省人均水資源低于500m3，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。

跨流域調(diào)水工程是解決我國(guó)水資源分配不均這一難題的重要途徑之一。渡槽是一種可以跨越河渠、道路、山谷的的架空水工建筑物，能夠有效減小地形對(duì)輸水的限制，在輸水工程中應(yīng)用較廣。第十一屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽正是以渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為背景，旨在通過(guò)制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行輸水加載試驗(yàn)，引導(dǎo)大學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)方法和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，分析輸水時(shí)渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)探討施工過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力以及工程實(shí)踐能力。本文從競(jìng)賽賽題要求出發(fā)，對(duì)渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程進(jìn)行分析，基于Midas有限元軟件對(duì)渡槽支承系統(tǒng)大跨度結(jié)構(gòu)模型的承載能力和變形能力進(jìn)行分析，為今后渡槽支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 賽題分析

1.1 賽題基本要求

競(jìng)賽賽題要求參賽隊(duì)制作一組渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)加載和卸載測(cè)試。加載裝置主要包括輸水裝置（由128L的水桶、0.75kW的水泵和輸水管等組成，其中輸水管為加筋軟管并用來(lái)模擬渡槽）和承臺(tái)（用于固定模型），加載裝置三維示意圖和平面示意圖如圖1和圖2所示。

模型結(jié)構(gòu)形式不限，支承個(gè)數(shù)不限，但是必須采用組委會(huì)提供的給定用量的竹材、502膠水和制作工具現(xiàn)場(chǎng)制作。竹材規(guī)格及用量如表1所示。

制作完成后的模型在25分鐘內(nèi)安裝在承臺(tái)板上，將水抽入輸水管中，要求載入水量大于50kg，并持荷20秒不發(fā)生整體垮塌；卸載要求在2分鐘之內(nèi)完成，剩余水量小于10kg，并計(jì)算輸水效率。

1.2 材料分析

充分認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能是對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。竹材的彈性和韌性較好，順紋的抗拉強(qiáng)度高，接近鋼材的一半，而密度僅為鋼材的1/10，具有較好的力學(xué)性能，競(jìng)賽所用竹材參考力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

由材料力學(xué)知識(shí)可知，空心桿件要比實(shí)心桿件更能充分利用材料，因此可由竹片制作薄壁式桿件。桿件的截面形式可為圓形、矩形、三角形等，從手工制作難易程度分析，圓形截面更容易制作。經(jīng)過(guò)多次不同制作工藝和實(shí)際加載測(cè)試，將0.5mm厚的竹片沿垂直紋理方向卷制兩層的薄壁圓截面桿件可作為主要受力構(gòu)件。其它兩種竹片可作為基礎(chǔ)和橋面板使用。竹條與竹片相比，不能抗壓，可用來(lái)制作拉桿或拉索等受拉構(gòu)件。

1.3 路徑分析

如圖1和圖2所示，賽題要求將水從入水口輸送到出水口（即圖1中的4到10位置），入水口與出水口之間的高差為200mm。輸水管的路徑走向是首先考慮的問(wèn)題，路徑短則耗費(fèi)的材料少，在制作過(guò)程中材料會(huì)更充足，并且質(zhì)量也小，在公式計(jì)分上會(huì)更高。

其中，賽題的隱藏要求是輸送路徑的正投影必須要經(jīng)過(guò)圖2中的A、B兩點(diǎn)，在此前提下，只能設(shè)計(jì)連接入水口與A點(diǎn)之間的長(zhǎng)達(dá)1m的大跨度支承結(jié)構(gòu)。

在路徑選擇方面有下列三種方法：

（1）按照?qǐng)D1示意圖的路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是最常規(guī)和普遍使用的方式，該方式的缺點(diǎn)是大跨度支承結(jié)構(gòu)的制作需要耗費(fèi)較多的材料，剩余材料較少。

（2）輸水管從入水口處按逆路徑走，在到達(dá)A點(diǎn)之后再做大跨度支撐結(jié)構(gòu)。此路徑優(yōu)點(diǎn)在于水流從入水口處流出后，避免了直接經(jīng)過(guò)大跨度斷面，在路徑最后階段才經(jīng)過(guò)大跨度斷面，減小了大跨度支撐結(jié)構(gòu)所受到的動(dòng)載荷。但是由于沿途的水頭損失，會(huì)造成輸水效率的降低。

（3）路徑為輸水口→A→B→A出水口，此路徑優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了一半的路徑材料，是非常好的方案，但是缺點(diǎn)是輸水管需要交叉重疊，相當(dāng)于增加了兩倍輸水管的重量，在大跨度支承結(jié)構(gòu)處設(shè)計(jì)難度加大。

2 模型結(jié)構(gòu)制作工藝

經(jīng)過(guò)對(duì)賽題的仔細(xì)分析，本文最終選取了第一種路徑方案?；谠撀窂椒桨傅哪Ｐ徒Y(jié)構(gòu)制作過(guò)程按照試驗(yàn)臺(tái)四邊分為四個(gè)階段：第一個(gè)階段為大跨度橋梁階段；第二階段為過(guò)A、B兩點(diǎn)階段；三階段為離入水口最遠(yuǎn)距離的階段（即圖2中試驗(yàn)臺(tái)下邊

階段）；第四階段為出水口階段，其中轉(zhuǎn)角處均進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2.1 第一階段：大跨度橋梁制作階段

該階段耗費(fèi)材料和時(shí)間最長(zhǎng)，也是整個(gè)制作過(guò)程中的最重要階段，根據(jù)現(xiàn)代渡槽支承結(jié)構(gòu)形式可選擇梁式、拱式、斜拉式等結(jié)構(gòu)構(gòu)型，在經(jīng)過(guò)多輪方案比選后，最終確定模型結(jié)構(gòu)構(gòu)型為斜塔斜拉橋形式，該結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。該階段的詳細(xì)制作要點(diǎn)如下。

2.1.1 斜拉塔的制作

塔的制作是用兩張厚竹片卷成圓筒，在保證塔本身具有足夠強(qiáng)度下，盡可能將截面面積擴(kuò)大，最后用膠水粘接。將塔下部分適量切除，將塔做成斜塔。受到A、B兩點(diǎn)的限制，在遠(yuǎn)離入水口處的位置上只能制作直塔。直塔和斜塔的后面都加上了背索，將竹片逆紋路卷成圓形矮樁用于固定背索。在制作過(guò)程中要保證以下幾點(diǎn)：

（1）各種桿件需要卷成空心，這樣做可以盡量擴(kuò)大截面面積，增大慣性矩，保證穩(wěn)定。

（2）滿(mǎn)載時(shí)，橋面板上的水重量過(guò)大，模型中間彎矩過(guò)大，易造成塔的拉應(yīng)力破壞，因此出水口采用斜塔形式。將水的重力載荷盡可能多地轉(zhuǎn)變成軸向力。但是需保證兩個(gè)斜塔的傾斜角度相同。

（3）塔的身后加上背索，利用材料本身所具有的較強(qiáng)的抗拉性能，保證提供足夠的水平力來(lái)抵抗重力載荷對(duì)塔身所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

2.1.2 橋面和拉索制作

橋面用扁平竹條和厚竹片制作，制作過(guò)程如圖4所示。

首先用扁平竹條設(shè)計(jì)出基本的橋梁骨架，再將厚竹片逆紋路平鋪到橋面骨架上，并進(jìn)行粘貼。最后裁剪竹片成條狀，作為拉鎖。制作中的要求如下所示：

（1）橫向竹條在連接時(shí)應(yīng)挖出槽口，保證連接的穩(wěn)定，縱條不挖。

（2）在粘貼拉索時(shí)，需要注意要用力拉拉鎖，將橋面拉出一個(gè)向上的預(yù)應(yīng)力，如果沒(méi)有預(yù)應(yīng)力在模型裝滿(mǎn)水之后橋面會(huì)在中間塌陷，對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。

2.2 第二、三、四階段制作

其余三個(gè)階段的制作比較簡(jiǎn)單，與斜塔制作相似，將剩下的竹片制作成圓筒狀，兩個(gè)圓筒之間通過(guò)正方形截面竹條進(jìn)行連接粘貼。粘貼好后，將橋面粘貼在上面，制作橋面的方法與第一階段相同。出水口與入水口之間的高差在250mm左右，盡量將橋面制作成具有連續(xù)較小坡降的坡度，如果坡降太大，會(huì)導(dǎo)致水流動(dòng)對(duì)模型局部產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，避免造成局部破壞。第二、三、四階段支承結(jié)構(gòu)如圖5所示。

轉(zhuǎn)角處需要考慮水流的湍流作用，因此轉(zhuǎn)角處需要設(shè)置支撐構(gòu)件來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)處理，以克服湍流所產(chǎn)生的剪力與彎矩。

加載過(guò)程中，第四階段的支承結(jié)構(gòu)在加載時(shí)會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，分析后確定主要是轉(zhuǎn)彎處水流會(huì)產(chǎn)生不同方向動(dòng)載荷，因此在第四階段并沒(méi)有制作成雙排柱子，而是將兩個(gè)柱子的材料合成在一起制作成了一個(gè)立柱，截面面積做到最大，保證慣性矩最大，同時(shí)在輸水管與立柱的接觸處利用竹片裁成的竹帶進(jìn)行捆綁，另外結(jié)構(gòu)高度也降低了較多，這些措施保證了支承柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)構(gòu)模擬驗(yàn)算與分析

本文采用Midas Civil有限元軟件對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算與分析。軟件驗(yàn)算與分析流程如圖6所示。

3.1 建立節(jié)點(diǎn)單元

Midas Civil有限元軟件提供了多種節(jié)點(diǎn)建立方式，在建立初始可能比較簡(jiǎn)單，但是在節(jié)點(diǎn)單元增多后，如果模型出現(xiàn)問(wèn)題，那么避免不了修改大量的單元節(jié)點(diǎn)，所以可以在建立節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，后期出現(xiàn)問(wèn)題可以在組內(nèi)進(jìn)行尋找，這樣修改會(huì)比較方便。

3.2 材料與截面特性

建立單元后需要考慮選取單元類(lèi)型。由于競(jìng)賽的材料主要為竹材和PVC輸水管，在Midas Civil有限元軟件特性欄中并沒(méi)有這兩種材料，在驗(yàn)算時(shí)需要查找相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)資料并通過(guò)自定義的方法重新設(shè)置。由于繪制的單元并不是實(shí)體，在設(shè)置完材料特性后，需要將本單元的材料和截面應(yīng)用到單元里，以便進(jìn)行后面的分析。本文所設(shè)置的材料和截面特性如表3所示。

3.3 邊界條件

本步驟是根據(jù)竹質(zhì)模型的實(shí)際情況來(lái)對(duì)有限元模型的邊界進(jìn)行約束，限制節(jié)點(diǎn)位移與扭轉(zhuǎn)。實(shí)際竹質(zhì)模型的邊界條件中包含固定螺栓，為了模擬方便，在有限元模型的邊界條件中去掉螺栓，這樣的計(jì)算結(jié)果能夠保證模型具有足夠大的承受載荷的能力。

3.4 施加載荷

Midas Civil中可施加多種荷載，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置模型所承受的載荷大小，并對(duì)載荷進(jìn)行編輯，最后施加到模型中。本次模型加載需要進(jìn)行兩次載荷分析：首先是靜力荷載，在水流加載完成后，輸水管中的水是靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)對(duì)模型施加靜力荷載最合適的；其次，也需要分析動(dòng)力載荷，在加載和卸載的過(guò)程中，水是流動(dòng)的，這時(shí)需要考慮流動(dòng)對(duì)模型的影響。

3.5 模型分析

在上述步驟完成后對(duì)模型位移和變形情況進(jìn)行分析，模型位移情況如圖7所示，結(jié)構(gòu)中各桿件所受應(yīng)力大小可以通過(guò)各桿件的位移顏色直接展示。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是制作渡槽的支承系統(tǒng)模型，但是其實(shí)主要考察橋梁的設(shè)計(jì)與制作工藝。本文模型在稱(chēng)重和輸水效率方面具有較大優(yōu)勢(shì)，在橋梁構(gòu)型方面選擇的是桁架與拱的組合形式，做到了質(zhì)量最輕，對(duì)于本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的各種構(gòu)型中是最好的選擇。

在本屆河北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，本文制作團(tuán)隊(duì)從賽題基本要求出發(fā)，借鑒了實(shí)際中的橋梁形式，并通過(guò)邁達(dá)斯有限元驗(yàn)算，將橋梁理論成功運(yùn)用到渡槽支承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，做到了理論與實(shí)際情況相結(jié)合。同樣，其它參賽隊(duì)的模型的制作非常值得借鑒。通過(guò)事實(shí)證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是實(shí)踐性很強(qiáng)的賽事，只有將力學(xué)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)融入到實(shí)踐中才能最大限度提高設(shè)計(jì)與制作水平。

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