結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽模型制作的方法與技巧

周耀 劉毅

摘? 要：介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽概況和競賽用材料與工具。從結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件設(shè)計、模型節(jié)點處理三方面，介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中模型制作的方法與技巧。并針對競賽中常見問題進行了解析。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽;結(jié)構(gòu)模型;模型制作;土木工程

中圖分類號：TU318? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0097-02

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽概況

土木工程有著悠久的歷史，其專業(yè)綜合性強，涉及學(xué)科面廣，基礎(chǔ)要求高。學(xué)科競賽是培養(yǎng)專業(yè)人才創(chuàng)新能力的重要平臺。競賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、溝通能力、組織能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，提升大學(xué)生的綜合素質(zhì)，從而進一步提高本科生培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量。

目前賽事主要有全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽及各省市大學(xué)生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。對于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)，加強高校間的交流與合作起到重要作用。

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的內(nèi)容通常為給定某種材料，要求在規(guī)定時間內(nèi)設(shè)計并制作出一個結(jié)構(gòu)，通過加載試驗，綜合考慮各項因素決出獲獎等級。模型材料一般為以竹皮或白卡紙居多，并輔以膠水、線繩等。制作的結(jié)構(gòu)形式有建筑、橋梁等。評分內(nèi)容一般包含方案設(shè)計、理論分析、模型制作、作品介紹與答辯以及模型加載實驗等方面。結(jié)構(gòu)加載類比賽，一般在相同加載條件下，結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量輕者獲勝或模型加載位移與模型質(zhì)量綜合評判。

2 材料與工具

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽用材料有竹材或白卡紙。本文僅討論竹材。2018年全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽竹材規(guī)格及用量見表1。竹材參考力學(xué)指標見表2。

表2 竹材參考力學(xué)指標

制作工具有：502膠水、砂紙、切割刀、直尺、三角尺、量角器、鉛筆、橡皮擦、鑷子、橡膠手套等。砂紙打磨桿件端部，獲得所需要的桿件精確尺寸，打磨桿件節(jié)點處接觸面以增加接觸， 打磨時需謹慎打磨，勿露出竹皮絲狀物。鉛筆、直尺在竹皮上繪制桿件平面設(shè)計圖。切割刀切割修剪竹皮。為防止膠水粘手，可用鑷子夾持細小構(gòu)件，使用橡膠手套防護雙手，也可以用膠布纏繞指尖。

3 模型設(shè)計與制作

模型選型原則為“大膽假設(shè)，小心求證”。假設(shè)時，須防止賽題示意圖的模型束縛思路，也不得被常見模型約束，應(yīng)勇于借鑒創(chuàng)造。求證時，須運用相關(guān)力學(xué)知識或軟件，進行邏輯嚴密的論證所選型的可行性與合理性[1]。

構(gòu)件設(shè)計原則為“合理材料，局部加強”。同時對于某一局部，若多重加強后仍不理想，應(yīng)考慮構(gòu)建整體加強（如修改界面尺寸等）。結(jié)構(gòu)造型須考慮材質(zhì)特點：竹皮的受拉性能要好于受壓。傳力路徑要明確，力的傳遞路徑要短。造型要簡潔、美觀、新穎。

桿件的截面形式常見的有矩形、圓形、三角形等形狀。為得到更大的抗彎剛度，截面一般做成空心，也可以在桿件內(nèi)部加肋，以增強整體穩(wěn)定性。矩形截面桿件制作簡單，正方形截面各向受剪能力相同，適用于雙向組合受壓，也適合軸心受壓，單向受剪力時，材料未能充分利用;長方形截面適用于單向受剪，材料利用充分。矩形截面中間空心大，受偏心力時易失穩(wěn)。三角形截面相對于矩形截面，減少一個截面，用料少，三角形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易失穩(wěn)，但是節(jié)點連接復(fù)雜。圓形截面各向受壓受剪性能都很好，用料少，但節(jié)點連接困難。

模型節(jié)點受力較大且受力復(fù)雜，難于計算，并且由于設(shè)計和制作誤差，在節(jié)點處難免存在縫隙，因此有必要對節(jié)點進行縫隙填塞和節(jié)點加強處理。

3.1 縫隙填塞

膠水的品種不同密度也不一樣一般在1.1g/cm3-2.0g/cm3之間，竹皮密度0.8g/cm3。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽稱為“一克的藝術(shù)”，為了盡可能減輕模型的質(zhì)量，節(jié)點縫隙需用竹皮填滿，然后滴上膠水即可。膠水滴注過的竹皮強度會有一個較大的提升，這樣的做法并不削弱結(jié)點的連接。

3.2 節(jié)點加強

模型節(jié)點處受力復(fù)雜，是整個結(jié)構(gòu)模型中的薄弱環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中很多的破壞都是由節(jié)點破壞引起的，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作時還應(yīng)綜合考慮各方面因素來選擇適合的方法加強節(jié)點連接。常用方法有：貼薄片法、加楔法、交錯粘貼法、拉竹條法[2]和裹絲狀竹材法。

“貼薄片法”在結(jié)點處加一塊薄片?？梢钥刂平Y(jié)點剛度，使得模型整體剛度增加，操作簡單，在提高結(jié)點強度和模型整體剛度的同時，模型自重的增加卻很小?！凹有ǚā痹诮Y(jié)點處的各個桿件之間加上楔子。增大連接點之間的接觸面積，使得相接于一點的各桿件之間的粘結(jié)更為牢固，能很好的控制各桿件在結(jié)點處的位移，從而控制了撓度。

“交錯粘貼法”采用兩構(gòu)件表面重疊粘結(jié)的方法，將結(jié)點處使用的竹片交錯粘貼。通過增大兩桿件的有效接觸面積消除結(jié)點過小的各種不利因素，提高構(gòu)件間的穩(wěn)定和剛度要求?！袄駰l法”即利用竹條良好的韌性和強度將位于結(jié)構(gòu)同一平面內(nèi)的結(jié)點用竹條交叉粘結(jié)。這種做法的好處是竹條質(zhì)量輕，可將此結(jié)點處的荷載傳遞到其他處，大大減少了結(jié)點處的危險荷載。

“裹絲狀竹材法”將竹皮打磨出絲狀物，然后纏裹節(jié)點。對于多個桿件共節(jié)點的加固，簡單高效。

4 模型制作常見問題

（1）桿件長細比過大。桿件長細比過大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加載時失穩(wěn)，可以采用分層加以解決。

（2）結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)抗扭有效解決方法是加斜撐。

（3）底部節(jié)點間有橫桿。為減小模型質(zhì)量，取消橫桿，不影響整體結(jié)構(gòu)受力。

（4）結(jié)構(gòu)最上部截面缺橫桿。為減小結(jié)構(gòu)不均勻受力和增強結(jié)構(gòu)整體性能，最上部截面需加水平桿件。

5 結(jié)束語

隨著土木工程專業(yè)的本科生教學(xué)水平的不斷提高，對實踐環(huán)節(jié)要求越來越高，通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的模型制作過程注意事項和常見問題進行分析和介紹，有利于參賽學(xué)生在有限時間內(nèi)運用所學(xué)知識，發(fā)揮創(chuàng)新能力，設(shè)計并制作出優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽模型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中取得優(yōu)異成績。

參考文獻：

[1]雷云堯，劉曉旭.竹皮結(jié)構(gòu)設(shè)計制作規(guī)范（XB10001-2014）[S].華中科技大學(xué)武昌分校學(xué)校標準，2015.

[2]耿琳，張宇，李明澤.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽模型結(jié)點處理淺析[J].卷宗，2016：489.