結構設計競賽與鋼結構原理與設計課程教學的結合與實踐

朱嘉 李紅 李燕

摘? 要 基于鋼結構原理知識對大學生結構設計競賽賽題進行分析，同時結合鋼結構設計思想，制作兩個空間結構模型做對比分析。通過“鋼結構原理與設計”課程教學與競賽實踐的結合，加深了學生對課程內(nèi)容的理解，同時提高了人才培養(yǎng)質量。

關鍵詞 結構設計競賽;鋼結構原理與設計;空間結構;競賽賽題

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）14-0085-03

Combination and Practice of Structural Design Competition and

Steel Structure Principle and Design//ZHU Jia， LI Hong， LI Yan

Abstract Analyzes the structural design competition task based on the steel structure principle. And makes two spatial structure models for comparative analysis combined with the steel structure design idea. Through the combination of Steel Structure Principle and De-sign and competition practice. It not only deepens the students under-

standing of the course content， but also improves the quality of per-sonnel training.

Key words structural design competition; principle and design of steel structure; space structure; competition task

1 前言

鋼結構原理與設計[1]是土木工程專業(yè)本科重要的專業(yè)課之一。其中，原理部分熟悉鋼結構中的主要受力構件（軸壓、受彎、壓彎構件），從強度、穩(wěn)定角度了解其受力性能，同時要掌握常見的螺栓、焊接連接形式;設計部分是在原理基礎上對構件的設計整合，熟悉常見的門式剛架、鋼框架、鋼桁架的受力形式。

大學生結構設計競賽[2]是教育部認可的大學生A類學科競賽，由教育部和中國土木工程學會聯(lián)合主辦，國內(nèi)各高校輪流承辦。競賽以竹條、膠水、棉線為主要原材料[3]，在規(guī)定的時間內(nèi)做出符合要求的結構體系，能夠承載賽題要求的外荷載，同樣承載能力下結構體系質量最輕的作品獲勝。結構模型的設計與制作過程，與實際的鋼結構體系從受力形式、破壞形式等角度均有較多相似之處。把結構設計競賽與鋼結構原理與設計課程教學相結合，加強了學生對鋼結構原理知識的理解，貫徹了對鋼結構設計思想的實踐。

2 結構設計競賽賽題分析

賽題要求? 以第十二屆全國大學生結構設計競賽賽題“大跨度空間結構模型設計與制作”為例[2]，競賽要求參賽選手在八小時內(nèi)完成一個大跨度空間屋蓋結構模型的設計與制作。模型構件允許的布置范圍為兩個半球面之間的空間，如圖1所示。外半球體半徑為550 mm，內(nèi)半球體半徑為375 mm，模型跨度及高度范圍要求在750～1100 mm范圍內(nèi)。

模型加載點投影如圖1紅點所示。模型固定于加載裝置上，通過掛鉤在指定八個點上引垂直鋼絲加40 kg+24 kg砝碼的方式模擬豎向荷載作為一、二級加載;指定節(jié)點上引出鋼絲繩，通過轉動裝置施加20 kg的水平荷載作為三級加載。

比賽模型制作材料為竹片、竹條。竹片長寬厚規(guī)格為1250 mm*430 mm*0.5 mm。竹條類型分三種，相關尺寸規(guī)格為900 mm*60 mm*1 mm（2 mm/3 mm）。竹材與鋼材均屬于彈性材料，相關力學指標如表1所示。

賽題分析? 該賽題以大跨度空間鋼結構為模擬對象，其中一、二級加載為豎向荷載模擬鋼結構工程中的恒荷載，三級加載為水平荷載模擬鋼結構工程中的風荷載或地震力。選題具有較大的現(xiàn)實意義和工程針對性。

3 鋼結構原理在比賽中的應用

構件類型的應用? 鋼結構原理中把受力構件按照不同受力形式分為壓、拉、彎、壓彎四大類構件，這些受力構件在結構競賽模型設計中均有廣泛運用。學生理解了這些構件的基本受力公式，在結構選型設計中更能了解每根桿件的受力性能及在體系中的作用。比如對于受壓桿件，通過設置側向支撐的方式減小計算長度，提高受壓性能，而不是無限制地放大截面。

截面選型? 常見鋼結構截面分為工字形、箱形、L形等形式。結構競賽的主要用材為竹條，結合鋼結構原理，把這些竹條也同樣做成工字形、箱形、L形截面。通過分析不同截面形式的竹材的截面特性，對于主受力構件采用雙軸對稱截面，次要構件采用單軸對稱截面。

加勁肋的應用? 鋼結構、竹材結構均屬于薄壁結構。為了控制板件的局部穩(wěn)定性，結構設計競賽也引入了鋼結構中的加勁肋概念。把2 mm*2 mm的竹條切成小構件，作為加勁肋鑲嵌到主受力桿件中，充分發(fā)揮主受力構件材料性能，盡量避免穩(wěn)定破壞發(fā)生在材料破壞前。

4 鋼結構設計在比賽中的應用

結構設計選型? 選型Ⅰ（圖2）以三根1 mm*6 mm竹片組成鋼結構中常見的U型截面，作為豎向受力構件截面形式，截面腹板內(nèi)嵌竹片作為加勁肋。設四個豎向受力構件，八根2 mm*2 mm的竹條模擬鋼索作為輔助受拉構件。頂部根據(jù)受力點設200 mm*200 mm正方形托盤。正方形托盤與豎向構件通過三角形桁架傳力。受壓構件僅通過四個支點與平臺連接，類似于空間結構中的柱腳鉸接。

選型Ⅱ（圖3）以三根1 mm*6 mm竹片組成鋼結構中常見U型截面，作為豎向受力構件截面形式;參照格構式鋼構件原理，設兩個分肢，兩兩通過2 mm*2 mm桿件做成格構式構件。頂部根據(jù)受力點設200 mm*200 mm正方形托盤，托盤內(nèi)設米字形支撐。正方向托盤與豎向構件通過八根H形截面桿件，組成三角形空間結構。水平構件與豎向構件匯交到一個點，豎向構件與平臺板通過八個支點連接，類似于空間結構中的柱腳剛接。

結合鋼結構設計思想對兩個方案進行對比分析，如表2所示。選型Ⅰ自重135 g，選型Ⅱ自重120 g，均順利通過滿載84 kg的加載。

結構計算分析? 采用鋼結構設計中常用的分析軟件midas Gen對結構進行數(shù)值模擬。桿件采用梁單元，外荷載以節(jié)點荷載形式輸入，根據(jù)竹材的彈性模量和密度按實輸入材料特性，支座連接按固結考慮。從軸力分析結果（圖4、圖5）看出，在外荷載作用下，結構體系受力均勻，傳力明確。

5 結語

1）結構競賽體系選型與鋼結構原理與設計知識有較大的關聯(lián)性，加強了學生對鋼結構原理知識的理解，貫徹了鋼結構設計思想在比賽中的應用。

2）結合鋼結構設計分析軟件對結構體系進行力學分析，讓學生在模型制作之前了解結構體系的受力分布，增強對結構受力的認知。

3）加強專業(yè)課教學與學科競賽的聯(lián)系，真正做到寓賽于教，加強學生對課程學習的感性認知，提高人才培養(yǎng)的質量?！?/p>

參考文獻

[1]董軍.鋼結構原理與設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]關于舉辦“富力杯”第十二屆全國大學生結構設計競賽的通知[EB/OL].[2018-08-21].http：//www.ccea.zju.edu.cn/structure/2018/0820/c14656a846483/page.htm.

[3]李俊華.林云 結構模型設計制作與分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.