大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽之“八仙臺”作品結(jié)構(gòu)模型的制作與分析

雷博 周學(xué)斌 夏晨陽 劉岳矗 周亞青

摘 要：全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實(shí)踐能力的學(xué)科性競賽。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽題以承受多荷載工況的大跨度空間結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)為主。承受多荷載工況的大跨度空間結(jié)構(gòu)模型必須承受靜載，隨機(jī)選位荷載及移動荷載及多種荷載。三種載荷工況分別對應(yīng)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的恒荷載、活荷載和變化方向的水平荷載。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽；結(jié)構(gòu)模型；模型制作；模型加載

1 賽題設(shè)計(jì)任務(wù)與分析

賽題要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型，模型構(gòu)件的布置范圍在兩個(gè)半球面之間，內(nèi)半球體半徑為375mm，外半球體半徑為550mm。模型放置于加載臺上，在指定位置設(shè)置加載點(diǎn)。在一、二級8個(gè)點(diǎn)上施加豎向荷載加載過程中，通過位移測量裝置對結(jié)構(gòu)中心的垂直位移進(jìn)行測量，模型位移的許可值[w]=12mm。三級荷載在內(nèi)圈加載點(diǎn)中抽簽選出1個(gè)加載點(diǎn)施加變化方向的水平荷載，加載點(diǎn)如圖1所示。空間桁架結(jié)構(gòu)能最大限度發(fā)揮材料的承載能力，但是受壓桿的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。各個(gè)加載點(diǎn)和桿件連接點(diǎn)的局部承載能力，應(yīng)充分考慮。

圖1 加載點(diǎn)布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

2.1參考資料收集

經(jīng)過調(diào)研，我們在一些模型結(jié)構(gòu)上，分析其結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，各個(gè)桿件的變形情況?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件之間的相互作用，使其整體性好、空間剛度大、結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)可以考慮。

懸索結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用，結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)彎距和剪力效應(yīng)，但懸索結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，比較復(fù)雜，限制了它的廣泛應(yīng)用。

除以上幾種空間結(jié)構(gòu)外，尚有組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等幾種常用空間結(jié)構(gòu)，都有自身的特點(diǎn)和實(shí)用范圍。

2.2結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)參考資料、賽題要求及組委會所提供的材料、工具、限定的連接方式，小組成員與指導(dǎo)老師共同討論分析擬定設(shè)計(jì)方案。

方案以斜撐立柱作為主要受壓承載構(gòu)件，盡量減小立柱的彎曲變形，所以立柱支撐點(diǎn)位于加載點(diǎn)正下方。立柱在承臺板的固定點(diǎn)以符合內(nèi)外半球直徑限制且尺寸最短為準(zhǔn)（留有一定的安全距離）。

田字形水平框架梁作為加載平臺，4個(gè)角點(diǎn)為外圓加載點(diǎn)（距離中心260mm）4個(gè)內(nèi)圓加載點(diǎn)在田字框十字梁上，距離中心150mm 處；在斜撐柱上增加8個(gè)拉索，對結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)住保護(hù)作用。

2.3 結(jié)構(gòu)定型

定型方案如圖2所示。

本隊(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)由三部分組成。第一部分是柱。支撐加載點(diǎn)的斜承柱有兩種：10*10*555mm（長柱）和10*10*500mm（短柱）。橫截面為10*10mm壁厚為1.1mm的方形空心管。用兩層0.50mm的竹皮粘接而成。

長柱4根與水平的的角度為54度，支撐內(nèi)圓加載點(diǎn)；短柱4根與水平的的角度為64度，支撐外圓加載點(diǎn)。

第二部分是由田字形水平框架梁。框架尺寸為370*370mm， 梁的橫截面為10*10mm壁厚為1.1mm的方形空心管。用兩層0.50mm的竹皮粘接而成。

第三部分為拉索，長度為620mm，截面為0.35*10mm的竹皮。

3 構(gòu)件制作與結(jié)點(diǎn)處理

3.1竹管制作

確定空間跨度為940mm，高度為450mm。在0.5mm的竹皮上，進(jìn)行下料，量取需要的長度和寬度，粘接竹皮的方式為5+3，首先裁5片竹皮的寬度，用刀子在竹皮上輕輕劃出一條裂縫，不必切斷，然后用膠水粘結(jié)截面為正方形的空心管。在貼第二層時(shí)，把剩下裁開的3條，依次用膠水粘結(jié)在只有一層竹管的表面（保證膠水無縫隙的連接兩片竹皮），待粘結(jié)牢固后，用竹粉填充片與片之間的空隙，以增加竹管的強(qiáng)度。

3.2節(jié)點(diǎn)處理

使用竹粉（可以增加結(jié)點(diǎn)連接的密實(shí)性）在連接處用膠水粘結(jié)，在平臺的十字管節(jié)結(jié)點(diǎn)，采用兩個(gè)分管粘結(jié)在一個(gè)主管上，同時(shí)撒上竹粉，滴入膠水，同時(shí)在上下兩面使用0.5mm的竹片連接兩個(gè)分管，以增強(qiáng)粘結(jié)的牢固性。外框的結(jié)點(diǎn)連接處，以及外框與十字架的連接部位采用同樣的方法，此外將10*10*394mm的兩根空心管兩端使用0.5mm的竹片進(jìn)行封口。0.5mm的竹皮將柱的口封住，留一端粘結(jié)的竹片大一些，方便結(jié)構(gòu)固定在承臺板上，在柱與平臺梁的連接處使用加入竹粉粘接，竹粉可以使連接柱與梁的接觸面積增大，還增大了節(jié)點(diǎn)的密實(shí)性，起到了穩(wěn)固、保護(hù)作用。

圖2 三級加載位移

4實(shí)驗(yàn)加載驗(yàn)證

首先進(jìn)行一級加載，分別在8個(gè)加載點(diǎn)上放置5.1kg的砝碼，無明顯變形、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，位移下降1mm左右，強(qiáng)度足夠，安全系數(shù)很大；進(jìn)行二級加載，在八個(gè)加載點(diǎn)上分別加上2.55kg+1.275kg的砝碼，位移下降2～3mm，且無明顯扭轉(zhuǎn)變形現(xiàn)象，水平剛度足夠，跨中撓度很?。辉谌壖虞d中，使用拉力計(jì)，在內(nèi)加載點(diǎn)的一點(diǎn)，手動施加水平拉力，左右轉(zhuǎn)動角度，水平拉力為7kg，安全承載，總共承載74kg，相比于一、二級加載的滿載64kg，超載10kg，穩(wěn)定性系數(shù)很高。

5 結(jié)語

綜上所述，在賽題的要求下，隊(duì)員們齊心協(xié)力，收集資料，選型，在此基礎(chǔ)上再不斷地探索與優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)部位的處理，使模型趨于完善。在省賽上，此大跨度空間結(jié)構(gòu)順利通過三級加載：一級滿載40kg，二級滿載24kg，三級滿載8kg。達(dá)到賽題最大的加載量，在一定程度上符合了工程標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡介：

雷博（1987），指導(dǎo)老師，男，籍貫：陜西西安，民族；漢，職稱：助教，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：土木工程.