大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽之竹材橋梁結(jié)構(gòu)分析

李雋逸　劉志威

摘要：以2017年湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，以紙質(zhì)結(jié)構(gòu)模型中的橋梁為例，運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)紙質(zhì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過(guò)分析橋梁在荷載作用下的極限荷載和跨中最大撓度進(jìn)行橋型比選以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。之后，我們通過(guò)具體的加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了紙質(zhì)梁一桁架組合橋在荷載作用下能很好地滿足競(jìng)賽的要求。在此過(guò)程中充分鍛煉了學(xué)生在模型設(shè)計(jì)，模型建立與優(yōu)化，受力分析與結(jié)果分析的能力。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；橋梁；梁一桁架組合橋

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.093

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽是一項(xiàng)激勵(lì)在校大學(xué)生積極參與學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)，提高專業(yè)知識(shí)能力，拓寬專業(yè)知識(shí)面，增加學(xué)生見(jiàn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情、增強(qiáng)專業(yè)興趣、加深專業(yè)理解，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。我校以培養(yǎng)學(xué)生全方面能力為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生自由發(fā)揮，互相討論，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。此次競(jìng)賽所設(shè)計(jì)的模型雖然是紙質(zhì)的，而且體型較小，但是與工程結(jié)構(gòu)一樣五臟俱全。在橋梁比選、模型優(yōu)化、結(jié)果分析等方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的紙質(zhì)橋梁為例，通過(guò)對(duì)竹材的受力性能和各種橋型的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)比選，初步選定了三種橋型結(jié)構(gòu)（桁架橋、簡(jiǎn)支梁橋和梁一桁架組合橋）。之后，根據(jù)本次競(jìng)賽的要求和橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，確定了三種橋型結(jié)構(gòu)的尺寸。緊接著，我們使用有限元軟件ABAQUS對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，通過(guò)分析比較三種橋梁結(jié)構(gòu)的最大承載力和跨中最大撓度，選定梁一桁架組合橋作為本次競(jìng)賽的橋型結(jié)構(gòu)。之后，通過(guò)ABAQUS分析得到的應(yīng)力云圖對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)能夠滿足競(jìng)賽要求。之后，為了驗(yàn)證建模分析的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了橋梁跨中的撓度和橋梁結(jié)構(gòu)破壞情況，以保證此模型能很好地滿足競(jìng)賽的需要。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的規(guī)則

本次競(jìng)賽題目已經(jīng)確定了橋梁為單跨，跨徑為1m，高度為450mm。加載裝置為輸水管，輸水管為加筋軟管（內(nèi)徑為100mm，壁厚0.7mm，質(zhì)量約為0.58kg/m）。模型結(jié)構(gòu)形式不限，支承個(gè)數(shù)不限，所有桿件、節(jié)點(diǎn)及連接部件均采用給定材料與膠水手工制作完成。

評(píng)分規(guī)則為：加載持續(xù)20秒模型不發(fā)生整體垮塌（允許局部損壞，但輸水管不得觸碰承臺(tái)板并且不能損壞），則加載階段加載成功；否則加載失敗，模型加載、卸載、輸水效率得分均為0分。具體的評(píng)分項(xiàng)及分值如下：（1）計(jì)算書及設(shè)計(jì)說(shuō)明10分；（2）結(jié)構(gòu)選型及制作質(zhì)量10分；（3）現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)5分；（4）模型加載35分；（5）模型卸載15分；（6）輸水效率25分。

從上面的規(guī)則可以看出，首先我們必須確保模型在加載過(guò)程中不發(fā)生整體垮塌，之后我們要減小模型在加載過(guò)程中的變形，另外，在滿足前面兩個(gè)條件的前提下，我們要盡量減小模型的質(zhì)量。

2橋型的比選

在工程實(shí)際中，橋梁結(jié)構(gòu)的種類較多，例如：簡(jiǎn)支梁橋，桁架橋，斜拉橋，懸索橋，拱橋和梁一桁架組合橋等。這幾種橋型結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中較多，而且優(yōu)缺點(diǎn)明顯。本次橋型比選是以結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕，變形小，穩(wěn)定性強(qiáng)為原則，結(jié)合竹材的力學(xué)性能和橋型結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，選出三個(gè)最合適的橋型形式。根據(jù)本次競(jìng)賽提供的竹材的力學(xué)指標(biāo)，我們發(fā)現(xiàn)竹材桿件的抗拉抗壓強(qiáng)度較高，但是抗彎和抗剪能力較差。通過(guò)對(duì)上述幾種橋型結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)如下：

（1）簡(jiǎn)支梁橋的橫向剛度較大，穩(wěn)定性較好。橋墩為受壓構(gòu)件，梁為受彎構(gòu)件。

（2）桁架橋的橫向剛度較大，穩(wěn)定性較好。構(gòu)件基本都是受拉或受壓。

（3）斜拉橋橋的跨度較大，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較輕，穩(wěn)定性較好，但跨中的撓度較大。另外由于本次競(jìng)賽場(chǎng)地提供的底板尺寸較小，纜索與底板固定的位置離塔柱的距離較短，而塔柱較高，塔柱兩邊的纜索的角度不一致，很容易導(dǎo)致塔柱變形過(guò)大而破壞。再者，在荷載作用下纜索所受拉力較大，與底板不易固定，容易出現(xiàn)脫落。

（4）懸索橋的跨度較大，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較輕，穩(wěn)定性較差，跨中的撓度較大。另外纜索與底板固定的位置離塔柱的距離較短，而塔柱較高，塔柱兩邊的纜索的角度不一致，很容易導(dǎo)致塔柱變形過(guò)大而破壞。再者，在荷載作用下纜索所受拉力較大，與底板不易固定，容易出現(xiàn)脫落。

（5）拱橋的剛度和穩(wěn)定性較好，但是跨度較小，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較大。

（6）梁—桁架組合橋的剛度和穩(wěn)定性較好，跨度較大，跨中撓度較小。

根據(jù)上述分析，相比而言，懸索橋、拱橋和斜拉橋與本次競(jìng)賽的要求不符，因此我們初步選定了桁架橋、簡(jiǎn)支梁橋和梁—桁架組合橋作為本次競(jìng)賽的橋型結(jié)構(gòu)。為了減小竹材桿件的質(zhì)量，增大桿件的慣性矩，橋梁結(jié)構(gòu)中的所有桿件都制作成空心桿。

之后，根據(jù)本次競(jìng)賽的要求和結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，初步確定了三種橋型結(jié)構(gòu)的尺寸。三種橋型的質(zhì)量分別為：桁架橋234g、簡(jiǎn)支梁橋201g和梁一桁架組合橋219g。

3有限元分析

本文使用了有限元軟件ABAQUS對(duì)這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，通過(guò)比較三組橋梁結(jié)構(gòu)的跨中最大撓度和最大承載力，選出一種最適合本次競(jìng)賽的結(jié)構(gòu)形式。

3.1模型的建立

3.1.1模型的簡(jiǎn)化

（1）此次競(jìng)賽中結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接都用的膠水，本文將其簡(jiǎn)化為剛接。

（2）此次競(jìng)賽中的荷載是注水管，在加水和排水的過(guò)程中，為動(dòng)荷載，本文將其簡(jiǎn)化為靜定均布荷載。

3.1.2創(chuàng)建材料

模型材料為復(fù)壓竹材，竹材的力學(xué)指標(biāo)為：密度0.8g/cm³，順紋抗拉強(qiáng)度60Mpa，抗壓強(qiáng)度30Mpa，彈性模量6Gpa。

3.1.3邊界條件

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力情況，對(duì)節(jié)點(diǎn)的邊界條件進(jìn)行定義。競(jìng)賽中橋梁結(jié)構(gòu)與底板的連接為螺栓連接，本文近似地用剛接代替。

3.1.4荷載定義

每延米水和管的重量：G=mg=pvg+mg=1×π0.25×9.8+0.58×9.8=82N。

3.1.5網(wǎng)格的劃分

本文對(duì)混凝土單元?jiǎng)澐值木W(wǎng)格的近似全局尺寸為0.02。模型建立如圖1-圖3所示。

3.2模擬結(jié)果的處理

由表1可以看出：與另外兩種橋型結(jié)構(gòu)相比，梁一桁架組合橋的極限承載力較大，跨中撓度較小，更能滿足競(jìng)賽要求，因此本文選定梁一桁架組合橋作為本次競(jìng)賽的橋型結(jié)構(gòu)。

4模型優(yōu)化

為了進(jìn)一步對(duì)梁一桁架組合橋模型進(jìn)行優(yōu)化，我們通過(guò)ABAQUS軟件分析得到了各桿件的應(yīng)力云圖，如圖4所示。根據(jù)應(yīng)力云圖，增大應(yīng)力較大桿件的尺寸，減小應(yīng)力較小桿件的尺寸。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)梁和邊柱的應(yīng)力較大，其他桿件的應(yīng)力較小。

5加載實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證建模分析的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)驗(yàn)，模型實(shí)物如圖5所示，模型質(zhì)量為207g。我們采用與競(jìng)賽相同的加載裝置（輸水管加載），加載持續(xù)20秒模型沒(méi)有發(fā)生垮塌，加載成功。之后我們測(cè)得跨中的撓度為5.3mm，與模擬結(jié)果相近。根據(jù)本次競(jìng)賽的評(píng)分規(guī)則，此模型具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

6總結(jié)

本文以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的要求，設(shè)計(jì)一種能較好滿足競(jìng)賽要求的橋梁結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合竹材的受力性能和各種橋型的受力特點(diǎn)，使用有限元軟件ABAQUS對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，通過(guò)比較了三種橋梁結(jié)構(gòu)的跨中最大撓度和最大承載力，選定了梁一桁架組合橋作為此次競(jìng)賽的橋型結(jié)構(gòu)。緊接著通過(guò)有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)的受力更加合理。之后，為了驗(yàn)證建模分析的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物加載實(shí)驗(yàn)，加載持續(xù)20秒模型沒(méi)有發(fā)生垮塌，跨中的撓度較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)很好地滿足競(jìng)賽要求，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。