第十三屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽制作研究

劉孟達(dá)，劉興旺,2， 孫 瑋，劉思雨， 蘆新月

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理工學(xué)院，河北 黃驊 061100；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 賽題簡介

1.1 命題背景

我國作為能源使用最大的國家，為滿足我國電力大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送和大范圍優(yōu)化配置的迫切需要，輸電塔是線路最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，由于輸電塔所處環(huán)境、地形復(fù)雜，需要承受包括風(fēng)荷載等多種荷載作用，所以輸電塔的安全和最大程度節(jié)省鋼材尤為重要。

1.2 賽題提要

大賽所用竹皮厚度分別為0.2、0.35、0.5 mm。采用竹桿件尺寸為6×1(mm)，2×2(mm)，3×3(mm)，彈性模量E=6 GPa。低掛點高度為1 000～1 200 mm，高掛點高度為1 200～1 400 mm。尺寸要求俯視圖如圖1所示，模型加載分為三部分。第一部分：在一導(dǎo)線加豎向荷載；第二部分：對包括高掛點和低掛點三根導(dǎo)線上分別加豎向荷載；第三部分：在高掛點加橫向荷載，如圖2所示。

圖1 尺寸要求俯視圖

圖2 加載情況概況

1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)思

結(jié)構(gòu)尺寸必須滿足題目要求，并滿足16種工況的前提下減輕質(zhì)量。其中，一、二級加載對應(yīng)實際情況下輸電線布置方式對輸電塔的影響，三級加載對應(yīng)著水平荷載(如風(fēng)荷載)。結(jié)構(gòu)需要抵抗一、三級荷載對結(jié)構(gòu)的壓力與彎矩，抵抗二級荷載對結(jié)構(gòu)的扭矩。本次大賽對結(jié)構(gòu)的抗壓、抗扭、抗彎提出了很高的要求，因為工況眾多所以前期準(zhǔn)備很繁瑣。

在仔細(xì)分析試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)受力特點的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化主要受力構(gòu)件，減少不必要的支撐，才能達(dá)到充分發(fā)揮材料特性，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量降到最低的目標(biāo)。此外，由于節(jié)點通常應(yīng)力集中明顯且受力復(fù)雜易受制作工藝影響，其細(xì)部制作尤為重要[1]。工況設(shè)計壓彎與扭矩作用荷載，模擬工況與實際工況相近，對于輸電塔實際工程設(shè)計有較好借鑒[2]。

結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：塔柱、塔尖、塔翼。為減輕質(zhì)量，增加結(jié)構(gòu)的抗扭性，塔柱和塔尖采用角鋼結(jié)構(gòu)，用2×2(mm)桿件作為橫撐，3×3(mm)桿件作為斜撐，模型實物如圖3所示。塔翼采用魚腹柱外包0.2 mm竹皮的形式把兩翼質(zhì)量減至最輕。根據(jù)工況特點設(shè)置拉條位置和高度，保證結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化得到最終模型，Midas模型整體如圖4所示。

圖3 模型實物圖

圖4 Midas模型圖

2 塔柱的加強

柱身為單層格構(gòu)柱，由四根截面為6×7(mm)角鋼構(gòu)成，截面尺寸5×5(cm)。本題對柱體抗壓、抗彎有較高要求，當(dāng)下坡門架旋轉(zhuǎn)角度增大時，總水平荷載大幅增加。對于一級荷載選擇高掛點進(jìn)行加載，柱體抗壓、抗彎要求也較高，所以對柱體的加強至關(guān)重要。此模型對塔柱的加強主要采用的三種方式分別為加勁肋、外包角鋼和漸變柱，本文分析三種加強方式的優(yōu)缺點。

2.1 加勁肋

對于需要加強的柱體來說角鋼內(nèi)側(cè)粘貼3×3(mm)桿件作為加勁肋，加勁肋可以大幅度增加柱體剛度，提高抗壓和抗彎的能力。在制作時要根據(jù)節(jié)點形狀，裁剪出尺寸合適，貼合緊密的加勁肋。因為柱層間隔較短，另外漸變層尺寸的變化，所以需要不斷改變尺寸，對截面進(jìn)行打磨嘗試，加勁肋的粘貼效果如圖5所示。加勁肋的制作需要極大耐心，其加強柱體效果明顯，但耗時較長，做工要求嚴(yán)苛。

圖5 加勁肋

2.2 外包角鋼

當(dāng)下坡門架角度增大，導(dǎo)致偏向荷載劇增，對柱體抗壓抗彎能力要求進(jìn)一步提高。單純的粘結(jié)加勁肋不足以抵抗彎矩與壓力。要對柱體進(jìn)行外包角鋼加強如圖6。但是外包角鋼的長度應(yīng)與翼下節(jié)點至底座等長。在實驗時，當(dāng)外包角鋼長度不足時，因為截面強度的突變導(dǎo)致較弱截面的破壞，所以使用外包角鋼去加強柱體強度時，要整體外包。外包角鋼制作簡單、方便，加強效果顯著。但此方法費材較多，下坡門架角度較小時，一般不采用。

圖6 外包角鋼

2.3 漸變柱

根據(jù)Midas軟件分析，柱體下部彎矩較大，為加強下部抗彎能力，防止截面突變，特采用漸變形式加強柱體。從下至上4層桁架間距不斷變大直至達(dá)到5 cm如圖7。采用此方法加強柱體加大了加勁肋的制作難度，但大幅增加結(jié)構(gòu)整體抗彎性，這種加強方式相對耗材較少。

圖7 漸變柱

對于此三種加強方式，綜合各方式的優(yōu)缺點，對于下坡門架不同旋轉(zhuǎn)角度選擇柱體加強方式。因漸變柱和加勁肋形式加強效果較優(yōu)，增加模型質(zhì)量較輕，所以不同工況均選擇此加強方式。外包角鋼方式相對較重，但其能大幅增加結(jié)構(gòu)整體性，所以當(dāng)下坡門架為30°和45°時，對靠近三級荷載柱體使用。

3 塔翼、塔尖和拉條的制作

3.1 塔翼的制作

魚腹柱可分為三棱魚腹柱和四棱魚腹柱，魚腹翼由四個單體梭形柱組成。魚腹柱由少量2×2(mm)連桿與竹皮構(gòu)成，骨架為2×2(mm)竹條，蒙皮為0.2 mm竹皮。蒙皮效應(yīng)利用了蒙皮自身在其平面內(nèi)較大的抗拉和剪切強度。在結(jié)構(gòu)制作中可以借鑒使用，以此模型三棱魚腹翼為例，一個翼由兩個魚腹柱構(gòu)成，如圖8。魚腹柱的制作和粘貼難度較大，但此結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了材料性能，抗壓、抗扭能力達(dá)到承重條件的同時，結(jié)構(gòu)質(zhì)量也做到最小化。在各個徑向腹桿部位也粘貼了竹皮，利用竹皮抗拉性能強的特點來加固節(jié)點，效果明顯且美觀[3]。

圖8 魚腹翼

3.2 塔尖的制作

塔尖采用四棱錐形狀，四個棱采用角鋼，2×2(mm)橫撐，3×3(mm)斜撐。與柱體截面尺寸匹配使塔尖與柱體完美結(jié)合。因為越接近塔尖處尺寸越小，所以粘接難度越大。塔尖的棱柱有傾角所以尖端有較大縫隙，此處需要加填竹粉彌補縫隙。塔尖采用四棱錐結(jié)構(gòu)形式，保證了整體承載力和結(jié)構(gòu)連貫性。其在加強塔柱和塔尖連接節(jié)點穩(wěn)定性的同時，增加了抗彎性能，懸挑水平外伸尺寸滿足要求，結(jié)構(gòu)合理[4]。

3.3 拉條的制作

此模型的成敗很大一部分決定于拉條的制作。拉條采用2×2(mm)桿件，在節(jié)點及粘貼處采用3根2×2(mm)桿件并列連接以增大接觸面積，防止拉條拉脫。需要制作不同位置及長度的拉條來滿足不同工況的需求。因為需要滿足相同角度四種工況，針對第一級荷載在柱身布置兩根拉條，針對第二級荷載在懸臂末端各布置一根拉條，針對第三級荷載在柱身布置兩根拉條。整體結(jié)構(gòu)主要由拉條承受各級荷載，它相當(dāng)于實際結(jié)構(gòu)中的纜風(fēng)繩。針對二級荷載的兩根拉條可以根據(jù)具體抽取的工況進(jìn)行方向的變化，抵抗結(jié)構(gòu)的扭曲變形，提供反向預(yù)應(yīng)力[5]。

4 結(jié)構(gòu)制作技巧

秦亞麗等[6]最早對結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，陳慶軍等[7]將國內(nèi)外大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽進(jìn)行對比，指出其優(yōu)點及不足等。在眾多研究中總結(jié)出如下制作技巧：

角鋼制作技巧：竹材本身存在邊角不整齊的缺陷，因此在粘貼前需對竹材一側(cè)進(jìn)行打磨再粘貼，這樣有助于增加粘貼時接觸面積。材料本身具有竹材節(jié)點，所以需要涂抹一點竹粉對薄弱點進(jìn)行補強。在粘貼時應(yīng)盡量保證整體的平直，可以借助丁字尺寬面進(jìn)行校正粘接，粘貼效果如圖9所示。

圖9 角鋼

502使用技巧：例如塔翼與柱體粘接時，需要手持塔翼，應(yīng)先滴少許膠水。若滴膠過多，會導(dǎo)致凝固顯著變慢，從而容易滑動，不易粘接。固定之后再填竹粉，再次滴膠水粘固。因為膠水與竹粉反應(yīng)會放出大量熱所以在使用竹粉時，手一定不要觸碰到滴膠的竹粉，以免燙傷。

竹桿生長節(jié)點的處理：本結(jié)構(gòu)對拉條抗拉強度要求較高，我們需要對竹材節(jié)點進(jìn)行補強。補強方式為使用0.2 mm竹皮對節(jié)點處進(jìn)行外包2～3圈用502膠水粘貼，效果如圖10所示。整體完工之后要進(jìn)行仔細(xì)檢查，防止因一個節(jié)點而造成整體結(jié)構(gòu)破壞。

圖10 節(jié)點補強

拉條底座的制作：我們采用了兩種底座制作方法，第一種制作方法：使用12層0.2 mm的竹皮相連，采用竹沫加固填充的形式。底座拐點處需與受力方向一致，防止受拉時斷裂，如圖11(a)所示。第二種制作方法：利用竹皮卷制底座，在底座兩側(cè)粘貼1×6(mm)竹條用于和拉條連接，并在外側(cè)粘貼2×2(mm)竹條，對連接部位進(jìn)行補強如圖11(b)所示。

(a)多層竹皮拉條底座

(a) 0°、15°、30°結(jié)構(gòu)

5 工況分析及處理辦法

本次賽題的難點之一就是在于工況多，且差異大。在電算分析中，筆者逐一計算了16種工況下模型的內(nèi)力、變形和應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)不同工況下，桿件的受力差異很大，這和不同工況下導(dǎo)線角度的差異有很大關(guān)系。對于15°、30°、45°工況模型而言，A工況為最危險工況。因為下坡門架角度的改變，導(dǎo)致1和2導(dǎo)線水平分力增大，大大增加了靠近三級荷載側(cè)結(jié)構(gòu)受力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體變形增大，更容易造成結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)不同角度的特點，筆者改變懸臂的位置布置和拉條的角度以減小扭矩來提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

減小扭矩的方法：此賽題中二級荷載所產(chǎn)生的扭矩對結(jié)構(gòu)抗扭強度提出了更高的水平，為減小扭矩該模型還可通過水平旋轉(zhuǎn)角度來最大程度縮小力臂，更合理地減小了水平扭矩，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。根據(jù)不同工況設(shè)置兩翼角度下坡門架角度為0°、15°、30°時，懸臂布置情況如表1所示。

表1 下坡門架0°、15°、30°懸臂布置情況

當(dāng)下坡門架角度為45°時，懸臂布置情況如表2所示。

表2 下坡門架45°懸臂布置情況

利用有限元分析軟件Midas gen建立了0°、15°、30°和45°結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)俯視模型如圖12所示。

6 結(jié)構(gòu)整體分析

綜合受力分析、變形分析和承載力分析，可得出該模型通過充分利用竹條良好的抗拉性能以及格構(gòu)柱本身的抗扭抗彎能力，可以承擔(dān)各種工況的荷載。通過實驗與數(shù)值模擬相對比，根據(jù)不同的工況有針對性地加強柱身強度，以及拉條的位置和數(shù)量。同時該模型還可通過水平旋轉(zhuǎn)角度來最大程度縮小力臂，更合理地減小了水平扭矩，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。靈活簡單、制作方便、承載能力強、用材較少，是本模型的最大特點。根據(jù)理論及試驗分析，筆者對結(jié)構(gòu)局部節(jié)點進(jìn)行了加固處理，利用了竹粉和膠水的共同作用使各個構(gòu)件形成一個整體，提高結(jié)構(gòu)的整體性能，以保證其更好地發(fā)揮作用。

7 總 結(jié)

本文以第十三屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽最佳制作獎作品為例，對模型優(yōu)化和制作過程的設(shè)計要點進(jìn)行了總結(jié)分析。分別從塔柱的加強，兩翼的制作，拉條的設(shè)計及竹材、節(jié)點等處理方式進(jìn)行了介紹。模型通過實驗與數(shù)值模擬相對比，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，驗證了模型優(yōu)化思路的合理性及制作技巧的高效性。

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