江蘇省土木工程學(xué)科競(jìng)賽作品方案及分析

蔣躍楠　李國(guó)

摘 要 學(xué)科競(jìng)賽作為高校培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神的有效手段和重要載體，對(duì)于推進(jìn)校風(fēng)學(xué)風(fēng)建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、協(xié)作精神和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能具有重要作用。以2016年江蘇省大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽為例，介紹金陵科技學(xué)院三組參賽作品的方案構(gòu)思，利用有限元對(duì)參賽作品進(jìn)行分析和完善，最后總結(jié)本次學(xué)科競(jìng)賽在提升本校土木工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力、教師教學(xué)能力等方面的成效，為同類比賽作品的創(chuàng)作與指導(dǎo)提供參考。

關(guān)鍵詞 土木工程；學(xué)科競(jìng)賽；模型作品

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）20-0105-04

Scheme and Analysis of Civil Engineering Competition works in Jiangsu Province： As Entries of Jinling Institute of Technology an Example//JIANG Yuenan， LI Guo

Abstract The subject contest is an effective means and important carrier for cultivating college students comprehensive quality and innovative spirit. It helps to promote the construction of school spirit，

train students practical ability and stimulate their interest and poten-

tial. As an example of Jiangsu province college students civil engi-

neering structure innovation competition in 2016， this paper intro-duced the scheme conception of three entries of Jin ling institute of

technology， by finite element their mechanical mechanism was ana-lyzed. Finally， its efficiency in enhancing the ability of students and teachers in civil engineering had been summarized， which provided a

reference for the similar works creation.

Key words civil engineering； subject contest； model works

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育發(fā)展迅猛，各種創(chuàng)新教育的理念及方法層出不窮，并取得一定的成效。學(xué)科競(jìng)賽作為課堂教學(xué)的延伸，是提升大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要平臺(tái)，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，具有十分重要的作用。該類競(jìng)賽一般由賽事組織者給出題目，學(xué)生組隊(duì)參加，以制作作品的方式參與比賽，體現(xiàn)創(chuàng)新性是獲勝的關(guān)鍵。由于學(xué)科競(jìng)賽在高校培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神、推進(jìn)學(xué)風(fēng)建設(shè)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能方面的作用較大，各級(jí)教育部門和教育工作者對(duì)該賽事十分重視。

2 江蘇省大學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽的內(nèi)容及要求

江蘇省大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽是一項(xiàng)由中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)江蘇分會(huì)即江蘇省土木工程教育委員會(huì)主辦，在全省高校中開(kāi)展的具有導(dǎo)向性、示范性和群眾性的土木工程專業(yè)學(xué)術(shù)科技活動(dòng)，自2005年以來(lái)，每年舉辦一屆，對(duì)推動(dòng)江蘇省土木工程學(xué)科的創(chuàng)新活動(dòng)起到非常積極的促進(jìn)作用。

2016年，江蘇省大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽在淮陰工學(xué)院舉辦，該比賽分結(jié)構(gòu)模型展示和現(xiàn)場(chǎng)模型制作與加載兩大部分。根據(jù)《江蘇省土木工程專業(yè)大學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽一號(hào)通知》（2016），模型展示作品的最大單向尺寸要求小于800 mm，并能反映土木工程建筑必要的力學(xué)概念、結(jié)構(gòu)概念和創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)大學(xué)生在結(jié)構(gòu)形式、傳力途徑、外觀造型及使用功能等方面進(jìn)行創(chuàng)新。模型制作與加載試驗(yàn)作品為空間桁架，要求模型的總長(zhǎng)度為1000 mm、凈跨度為950 mm、寬度不超過(guò)200 mm，模型的加載試驗(yàn)時(shí)間包括加載前的準(zhǔn)備工作、加載試驗(yàn)和清理現(xiàn)場(chǎng)等工作，限制在18分鐘以內(nèi)；加載在10級(jí)之內(nèi)完成，每級(jí)加載后必須持荷一分鐘以上才能施加下一級(jí)荷載。結(jié)構(gòu)破壞的判定條件：

1）加載模型中任意一根骨架桿件發(fā)生斷裂或屈曲；

2）任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞或桿件間連接發(fā)生脫離；

3）模型整體垮塌；

4）現(xiàn)場(chǎng)專家認(rèn)定模型已失效。

模型的最大承載量按失效時(shí)施加的前一級(jí)重量確定，成績(jī)承載比確定，即模型的最大承載力（kg）與模型重量（g）的比值。

3 參賽作品的方案構(gòu)思

根據(jù)主辦方的比賽要求，金陵科技學(xué)院提交兩組模型展示作品和一組現(xiàn)場(chǎng)制作與加載作品，經(jīng)過(guò)層層選拔，確定六位參賽選手。兩組展示作品有建筑模型和橋梁模型兩種，加載模型為一空間桁架。

本次參賽的建筑模型命名為“水榭疊扇”，其實(shí)體圖形如圖1所示。由圖1可知，模型外觀新穎，造型獨(dú)特，由若干單拱組合而成的骨架渾然一體；屋面采用新穎薄膜材料，輕盈典雅。其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于古典絹扇，主體拱流暢似扇骨，屋面清透似扇面，構(gòu)成一幅素秀唯美的畫面，拱和挑檐的完美結(jié)合又營(yíng)造了一種亦拱亦挑的動(dòng)態(tài)氛圍，使建筑物舒展飄逸、神采飛揚(yáng)，體現(xiàn)了一種蓬勃向上的活力之美。整個(gè)建筑物形狀飽滿、設(shè)計(jì)靈動(dòng)，大小不同的兩組方案，視覺(jué)上形成對(duì)比，空間上層次感分明。endprint

該模型采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)，主要受力構(gòu)件為單拱，單拱外側(cè)的飛檐部分通過(guò)樹(shù)狀支撐連接于主拱，使豎向荷載均勻地向下傳遞；屋面結(jié)構(gòu)為橫向桁架和檁條，為防止拱底產(chǎn)生水平位移，在每一單拱的底端設(shè)置預(yù)埋拉鎖進(jìn)行固定。

方案下拱上挑的形式可以使屋面雨水自動(dòng)地向一處收集，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)使用的綠色理念；屋面的ETFE薄膜材料可以通過(guò)控制充氣量的多少來(lái)調(diào)節(jié)遮光度和透光性，有效地利用自然光，節(jié)約能源，起到保溫隔熱的作用。

本次參賽的橋模作品命名為“騰飛”，其實(shí)體圖形如圖2所示。橋模作品是采用雙片主、副拱結(jié)構(gòu)的斜拉鋼橋，從空間上看，雙片主、副拱線型流暢、氣宇軒昂，極具動(dòng)感，由遠(yuǎn)及近，視覺(jué)上如飄帶般絢麗奪目，又似蛟龍般跨江躍海，極富力度之美，寓意一種團(tuán)結(jié)與奮進(jìn)的力量。

橋模的主拱設(shè)計(jì)三跨，承擔(dān)主要荷載；副拱五跨，穿插于主拱之間，分擔(dān)主拱產(chǎn)生的內(nèi)力；為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度和抵抗外部荷載的能力，在主、副拱之間布置了橫向和豎向剛性鏈桿。

該結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑為：橋面荷載→斜拉桿→主、副拱→橋墩和橋臺(tái)。雙片主拱在橋墩或橋臺(tái)處交匯，使得橋墩處的水平推力相互抵消，橋臺(tái)處水平推力得以減少，在整體結(jié)構(gòu)上，主、副拱共同受力的形式要優(yōu)于單純的斜拉橋結(jié)構(gòu)。

本次參賽的加載模型作品如圖3所示。模型凈跨950 mm、

寬度90 mm、高度290 mm、重140.2 g，主要材料為輕質(zhì)桐木，節(jié)點(diǎn)連接采用WD1001高性能結(jié)構(gòu)AB膠，在現(xiàn)場(chǎng)制作完成，共耗費(fèi)三個(gè)多小時(shí)。該模型的整體形狀為等腰三角形，底面設(shè)置兩根拉桿，兩側(cè)邊設(shè)計(jì)為上小下大的變截面空間桁架，桁架由三根通長(zhǎng)的弦桿和若干短腹桿構(gòu)成。為提高模型的承載性能，空間桁架的短腹桿設(shè)計(jì)成四棱錐狀，這樣布置不僅減少了弦桿中的受力，而且四角錐較好的對(duì)稱性使得結(jié)構(gòu)整體不易變形。

模型的加載過(guò)程為：初始加載盤重150 N，第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)加載量均為153 N，當(dāng)?shù)谒募?jí)荷載153 N加上時(shí)，模型持荷54 s后，底端右側(cè)的支座節(jié)點(diǎn)破壞，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)失效。因此，該加載模型的最終承載重量為609 N，載重比為434.38。

4 參賽作品的力學(xué)分析

本次學(xué)科競(jìng)賽的參賽作品都是在不斷地進(jìn)行受力分析基礎(chǔ)上完成的。在比賽準(zhǔn)備階段，指導(dǎo)教師花費(fèi)大量的時(shí)間與學(xué)生一起構(gòu)思方案，利用有限元軟件反復(fù)對(duì)方案進(jìn)行受力分析，然后根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果不斷修改和完善模型以達(dá)到最佳效果。圖4～圖6是用midas軟件對(duì)最后參賽作品的數(shù)值分析結(jié)果。

由圖4可知，建筑展示作品在均布豎向荷載作用下，下部主體拱結(jié)構(gòu)及樹(shù)狀支撐部分基本都處于受壓狀態(tài)，其中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)上部，最大值是128.7 Mpa；

挑檐部分出現(xiàn)受拉區(qū)，最大的拉應(yīng)力達(dá)到34.1 MPa，但拉、壓應(yīng)力都小于鋼材的允許強(qiáng)度，因此，該大跨度拱結(jié)構(gòu)是可以安全承載的。圖中樹(shù)狀支撐部分的壓應(yīng)力基本相同，而主體拱中的壓應(yīng)力差異較大，因此在制作模型時(shí)，樹(shù)狀支撐采用等截面構(gòu)件，而主體拱則采用變截面結(jié)構(gòu)，這樣可以充分利用材料，達(dá)到節(jié)約、經(jīng)濟(jì)的目的。

圖5為橋梁模型的數(shù)值分析結(jié)果。由圖可知，在豎向和橫向荷載作用下，主拱為受壓構(gòu)件，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱底支座處，數(shù)值為211.5 MPa，副拱的受力情況較主拱復(fù)雜，其中間部分受壓而左、右側(cè)受拉，最大拉應(yīng)力達(dá)到30.8 MPa，結(jié)構(gòu)的最大拉、壓應(yīng)力都小于鋼材的允許強(qiáng)度，因此是安全的。主、副拱之間的豎向剛性鏈桿以受壓為主，但主拱中間部分出現(xiàn)受拉桿。因此，對(duì)于本橋模這種主、副拱交叉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，必須采用有限元軟件分析，使制作者明確結(jié)構(gòu)體系的受力情況，進(jìn)行合理選材。

本次參賽的加載模型為現(xiàn)場(chǎng)制作的三角形桁架，加載點(diǎn)位于頂點(diǎn)。根據(jù)圖6所示，當(dāng)模型加載到第四級(jí)，模型總承載量為762 N時(shí)；結(jié)構(gòu)中三角形頂點(diǎn)處的壓應(yīng)力最大，為13.6 MPa；模型底端拉桿的拉應(yīng)力最大，為6 MPa，它們的值遠(yuǎn)小于桐木的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度（根據(jù)文獻(xiàn)[1]，桐木的抗拉強(qiáng)度為50 MPa，抗壓強(qiáng)度為20 MPa）。因此，在此荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身是不會(huì)破壞的。比賽中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接破壞，文獻(xiàn)[2-3]中也強(qiáng)調(diào)木桁架的連接部位是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在以后的加載模型制作中，除了必須重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，節(jié)點(diǎn)的連接也不能疏忽，采用鉸接和黏結(jié)相結(jié)合的方式更合適。

5 競(jìng)賽成效

本次比賽，通過(guò)師生的共同努力和精心準(zhǔn)備，金陵科技學(xué)院獲得一個(gè)一等獎(jiǎng)、兩個(gè)二等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)，更可喜的是通過(guò)參賽，教師和學(xué)生都有所收獲，受益匪淺。

對(duì)于學(xué)生而言，本次學(xué)科競(jìng)賽培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新性思維和主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，加強(qiáng)了他們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和組織協(xié)調(diào)能力。在比賽準(zhǔn)備過(guò)程中，學(xué)生首先認(rèn)真研究以前的獲獎(jiǎng)作品，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上不斷推陳出新，獨(dú)辟蹊徑，拓展思路，創(chuàng)新能力得到較大提高。由于學(xué)科競(jìng)賽以專業(yè)知識(shí)為依托，完成從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，因此，學(xué)生除了需要掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)外，還要自學(xué)一些前沿知識(shí)。在本次比賽創(chuàng)作過(guò)程中，大家充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，經(jīng)常與力學(xué)、建筑學(xué)、地下空間工程等專業(yè)的學(xué)生一起探討，共同尋找解決問(wèn)題的方法。另外，作品對(duì)知識(shí)的潛在要求以及完成作品的“使命感”也迫使學(xué)生不得不相互合作、相互配合，積極利用一切資源，為作品的完成創(chuàng)造有利條件，這對(duì)參賽學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和組織協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)起到重要的促進(jìn)作用[4]。

對(duì)于教師而言，學(xué)科競(jìng)賽是提升自身能力的重要途徑，指導(dǎo)學(xué)科競(jìng)賽的經(jīng)歷有助于提高教師對(duì)本專業(yè)課程體系的理解和對(duì)所授課程的準(zhǔn)確把握。因?yàn)橹笇?dǎo)教師是學(xué)科競(jìng)賽的引領(lǐng)者，只有對(duì)專業(yè)知識(shí)做到綜合理解與運(yùn)用，才能與學(xué)生一起完成具有實(shí)際工程意義的賽題。同時(shí)，學(xué)科競(jìng)賽為教師提供了一個(gè)與兄弟學(xué)校同行相互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，找到了解本學(xué)科發(fā)展需求和趨勢(shì)的新視角[5]；指導(dǎo)學(xué)科競(jìng)賽的過(guò)程本身也是一個(gè)教學(xué)研究過(guò)程，對(duì)教師反思已有的教學(xué)過(guò)程、增強(qiáng)教學(xué)能力很有幫助。

6 結(jié)語(yǔ)

江蘇省土木工程專業(yè)大學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽是培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新精神的重要平臺(tái)，對(duì)提高江蘇省土木工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力作用巨大。金陵科技學(xué)院師生通過(guò)參加2016年的競(jìng)賽，開(kāi)闊了視野，培養(yǎng)了專業(yè)熱情，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣；在學(xué)校健全的學(xué)科競(jìng)賽運(yùn)行機(jī)制和明確的競(jìng)賽保障經(jīng)費(fèi)支持下，比賽獲得優(yōu)異成績(jī)。以后將以更積極的態(tài)度去參與各類學(xué)科競(jìng)賽，師生共同努力，為全面培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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