第五屆湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽實(shí)踐與探討

邵文琦　蘇駿

摘要：從結(jié)構(gòu)選型、支承體系設(shè)計(jì)、加載情況等方面回顧了第五屆湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，通過制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，研究了輸水時(shí)渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工技術(shù)等問題，并探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對大學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的影響。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽；綜合能力；創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0148-02

湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽由湖北省教育廳、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、湖北省土木學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦，由湖北省高校輪流承辦，對培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、團(tuán)隊(duì)合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)作用顯著，已成為大學(xué)生素質(zhì)教育和課外科技活動(dòng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前湖北省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽已經(jīng)連續(xù)舉辦了五屆，2017年第五屆湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽共吸引了湖北省26所高校中的76支參賽隊(duì)伍參加，經(jīng)過三天緊張激烈的比賽，競賽專家委員會(huì)根據(jù)計(jì)算書、模型外觀、現(xiàn)場答辯和加載情況最終評出了8個(gè)一等獎(jiǎng)、15個(gè)二等獎(jiǎng)、15個(gè)三等獎(jiǎng)、最佳創(chuàng)意獎(jiǎng)、最佳制作獎(jiǎng)和5個(gè)優(yōu)秀組織獎(jiǎng)。下面將對此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽進(jìn)行回顧和總結(jié)，并探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對大學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的影響。

一、大賽回顧

本次湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽賽題為渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作。競賽的目的就是希望通過制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，深入了解渡槽的不同結(jié)構(gòu)形式，共同探討輸水時(shí)渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工技術(shù)等難題。在渡槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)考慮如下三個(gè)方面內(nèi)容：

第一，在加水和放水過程中，跨河段模型都會(huì)受到水管對之產(chǎn)生的不斷變化的壓力和摩擦力，由于需要承受兩段水管的壓力，在加水過程中，上下水管無法均勻加載，會(huì)對跨河段模型產(chǎn)生沖擊荷載作用，如果對模型的設(shè)計(jì)考慮不夠充分，將會(huì)導(dǎo)致跨河段模型發(fā)生顯著變形乃至被破壞，因此在設(shè)計(jì)中，對跨河段模型的設(shè)計(jì)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

第二，渡槽的最重要的功能是輸送水流，放水時(shí)，水是否能均勻穩(wěn)定地流下，殘余在水管中的水是否符合要求。高差設(shè)置不合理時(shí)，會(huì)對模型產(chǎn)生不同程度的影響，高差過大，沖擊而下的水對模型有一個(gè)沖擊荷載，甚至造成模型產(chǎn)生不同程度的晃動(dòng)；高差太小，容易造成水在水管中的殘余，影響模型的功能。因此，模型全程的高差處理是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

第三，渡槽不同于公路和鐵路橋，要傳送大量的水，對于大型渡槽而言，其傳送的水的重量與渡槽結(jié)構(gòu)本身的重量相當(dāng)，甚至大于渡槽結(jié)構(gòu)本身的重量，大量的水體在結(jié)構(gòu)靜力與動(dòng)力分析中都起重要的作用，因此，在模型設(shè)計(jì)的過程中，水體與模型的相互作用也是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

作為建筑工程師，往往比較關(guān)注的是建筑的功能和外觀，但結(jié)構(gòu)工程師更看重結(jié)構(gòu)體系的合理性和實(shí)用性。本次比賽評分根據(jù)計(jì)算書及設(shè)計(jì)說明、結(jié)構(gòu)選型及制作質(zhì)量、現(xiàn)場表現(xiàn)、模型加載、模型卸載和輸水效率六項(xiàng)來確定。根據(jù)歷年競賽的情況來看，前三項(xiàng)差距并不大，后三項(xiàng)才是參賽團(tuán)隊(duì)需要重點(diǎn)關(guān)注的地方，本次競賽的輸水效率尤為重要，因此模型的穩(wěn)定性和輸水效率是確定模型結(jié)構(gòu)形式的重要內(nèi)容。

1.結(jié)構(gòu)選型。在模型計(jì)算、制作和加載試驗(yàn)過程中，不同模型都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，需要從質(zhì)量及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性等方面考慮，找出較為合理的結(jié)構(gòu)類型。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，初步考慮如下幾種體系：（1）梁式渡槽：梁式渡槽受力、傳力明確，設(shè)計(jì)和施工均較方便，工程應(yīng)用情況良好，是渡槽建設(shè)中采用最多的一種結(jié)構(gòu)型式。（2）拱式渡槽：拱式渡槽的主拱圈在拱上結(jié)構(gòu)傳來的荷載作用下，主要產(chǎn)生軸向壓力，而彎矩很小，因此可用抗拉強(qiáng)度低而抗壓強(qiáng)度高的圬工材料建造，這是拱式渡槽的主要特點(diǎn)。（3）桁架式渡槽：分為桁架梁式渡槽和桁架拱式渡槽。桁架式渡槽充分發(fā)揮了材料的特性，具有施工快速、經(jīng)濟(jì)性好、縱向剛度大和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。（4）斜拉式渡槽：斜拉式渡槽一般由塔、墩、拉索及主梁（槽身）四部分組成，與其他結(jié)構(gòu)相比具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)，因其是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，受力性能良好。并且斜拉結(jié)構(gòu)對地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，造型簡明輕巧美觀。但是槽身過大的變形影響渡槽的過水能力，限裂止水等關(guān)鍵的技術(shù)問題尚待解決。從工程實(shí)例角度出發(fā)，梁式和拱式渡槽分別具有自己的優(yōu)勢，實(shí)際工程中梁式渡槽使用較為廣泛。但從結(jié)構(gòu)模型制作的角度出發(fā)，過橋段需要上下同時(shí)承載，桁架式渡槽相對更容易滿足設(shè)計(jì)制作的要求。

2.渡槽的設(shè)計(jì)?；谏鲜龇治?，競賽團(tuán)隊(duì)最終選擇的是桁架拱渡槽。其特點(diǎn)在于：（1）以桁架式拱作為槽身支承結(jié)構(gòu)的渡槽。桁架式拱將拱式渡槽的主拱圈與拱上支承結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，加載時(shí)拱上支承結(jié)構(gòu)與拱可以同時(shí)承載，滿足設(shè)計(jì)的要求。（2）由于加載時(shí)會(huì)導(dǎo)致桿件的彎曲變形，并且有可能導(dǎo)致模型整體重心的偏移，使模型變得不穩(wěn)固，因此在拱的下部分增加交叉拉帶，抑制模型的側(cè)向水平位移，在拱結(jié)點(diǎn)與長柱之間增加斜桿，從而抑制拱圈的位置變化，這樣就會(huì)最大程度地減小拱圈的變形。（3）節(jié)點(diǎn)連接方面，考慮到良好的節(jié)點(diǎn)制作質(zhì)量是確保整個(gè)模型性能得以充分發(fā)揮的關(guān)鍵，因此需要對節(jié)點(diǎn)的制作給予充分的重視。在節(jié)點(diǎn)處采用了“竹屑-膠”混合加固技術(shù)，并采用了多種節(jié)點(diǎn)板式的搭配組合。（4）除了有放置水管的空間要求外，對其他面上根據(jù)需要均打上交叉拉帶，會(huì)使模型穩(wěn)定性大大提高。

3.加載時(shí)不同情況的分析和處理。（1）在加水過程中，水從入水口流入，流向出水口的過程中，會(huì)帶動(dòng)水管產(chǎn)生一個(gè)向后的力，進(jìn)而造成模型整體向后被拖垮。通常采取增加圈梁、增加連接構(gòu)件等措施來解決，使結(jié)構(gòu)的整體性有很大提高。（2）在加水過程中，存在短期內(nèi)水在跨河段上的分布出現(xiàn)明顯不均勻的情況，會(huì)導(dǎo)致加水期間跨河段拱發(fā)生較大變形，進(jìn)而會(huì)造成桿件的彎折，對后續(xù)加水過程造成不利影響，因此對于模型需考慮加載引起的變形影響。針對上述狀況，在跨河段模型設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)處和長桿之間加斜桿，增加模型的整體性，減少由于輸水時(shí)拱產(chǎn)生的上下位移。（3）本次競賽要求采用指定的竹材和502膠水，但不同厚度的竹皮做出來的構(gòu)件力學(xué)特性尚不明確。因此在模型設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行相應(yīng)的材料性能試驗(yàn)，包括桿件的拉伸試驗(yàn)、受壓性能試驗(yàn)等。

二、對大學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

1.概念設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。本次競賽需要參賽團(tuán)隊(duì)有一定的材料、力學(xué)、結(jié)構(gòu)原理的知識基礎(chǔ)以完成最優(yōu)化的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于不同的賽題對結(jié)構(gòu)概念要求不同，這就需要參賽者對不同的結(jié)構(gòu)形式，如高層結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、屋架或渡槽支承體系等結(jié)構(gòu)概念和不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性有一定的了解，以便選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。

2.數(shù)值計(jì)算和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了使模型結(jié)構(gòu)既滿足承載要求又質(zhì)量最輕，需要對構(gòu)件截面進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和計(jì)算，計(jì)算過程中，需要用到一些結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件，如PKPM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、ANSYS軟件分析、SAP2000軟件的計(jì)算與應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容，通過指導(dǎo)教師的理論授課和分析軟件培訓(xùn)，參賽團(tuán)隊(duì)熟練采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算平面結(jié)構(gòu)問題，用ANSYS、MADIS、SAP2000等有限元軟件計(jì)算空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形問題。在此基礎(chǔ)上，制作結(jié)構(gòu)模型，隨后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模型加載實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析。達(dá)到了提高學(xué)生的數(shù)值計(jì)算能力和綜合素質(zhì)的目的，培養(yǎng)了參賽學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是理論知識和工程實(shí)踐緊密統(tǒng)一的完整過程，是把土木工程主干課程中的理論知識應(yīng)用于模型設(shè)計(jì)與制作的真正實(shí)踐，能夠使學(xué)生切實(shí)感受到理論知識與工程實(shí)際問題的聯(lián)系。在模型設(shè)計(jì)制作的整個(gè)過程中，全面考查了學(xué)生的力學(xué)概念和結(jié)構(gòu)概念，訓(xùn)練了學(xué)生的動(dòng)手能力，了解了實(shí)踐與理論的差異之處，模型制作的精良程度與學(xué)生的動(dòng)手能力密切相關(guān)。因此，對學(xué)生的創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)發(fā)揮了巨大作用。

三、結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)選型、支承體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加載情況等方面對第五屆湖北省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽進(jìn)行了回顧和簡單的總結(jié)，同時(shí)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對大學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)進(jìn)行了探索，結(jié)果表明：大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，從而全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慶軍，王湛，季靜，王偉，周偉星.第二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽回顧及探索[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版（科研與教學(xué)專輯）.2009，31（12）：10-12.

[2]程濤.結(jié)構(gòu)模型競賽與土木工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（5）：133-136.

[3]梁靖波，朱江，吳炎海.中南地區(qū)第三屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽的實(shí)踐與探討[J].2010，10（S）：284-286.