以结构设计竞赛为契机 培养学生创新实践能力

刘明晖， 王 伟，2

(1．浙江建设职业技术学院建筑工程系，浙江 杭州311231;2．同济大学土木工程学院，上海200092)

0 引言

土木工程是一个实践性很强的专业，实践教学是理论教学的有力支撑。然而，受到时间，场地，经费的限制，实践性教学环节往往被弱化，造成理论与实践脱节的现状［1］。

近年来，国内各省，市，地区，院校内开展了内容丰富的结构设计竞赛［2-6］。结构设计竞赛是教育部财政部联合资助的9项大学生科技创新赛事之一［7］，其题目大多来源于工程实践。2011年，浙江省第十届大学生结构设计竞赛命题为支模架结构体系的设计与制作，要求设计受力合理，且兼顾承载力与结构自重的模板支撑体系模型［8］。目前钢筋混凝土结构大多采用现浇混凝土施工，结构构件是在模板的支撑下进行混凝土浇注、振捣和养护施工。模板支撑体系是施工中的一种临时结构。

本文介绍了我院某参赛组依据竞赛模型制作要求、加载步骤及要求、评分规则，在教师指导下依次进行概念设计、方案设计(结构布置、荷载分析、承载力估算)、模型制作及试验，最终形成模型的整个过程。

通过参加结构设计竞赛，学生将力学、结构，施工的知识贯穿起来，强化了学生对专业知识的融通，培养了学生分析实际结构问题和运用专业知识和工具进行结构设计和计算的能力。大学生结构设计竞赛不仅是一项学生课外科技活动，还能起到促进教学改革的作用，对培养土建类大学生的实践能力和创新思维具有深远的意义。

1 设计要求

本次结构设计竞赛要求设计并制作一个模板支撑结构模型。要求用桐木(长度1 000 mm，截面为3 mm×3 mm、1 mm×55 mm)和502胶水分别制作高度为600 mm的模板支撑结构模型和400mm×400mm×55 mm，下设一根凸梁的加载盒模型。加载试验时，依次向三个漏斗内倒入铁砂，模拟梁板混凝土浇筑的过程。最终以模板支撑结构的承载力和结构总质量的比值，作为模型加载计分的标准。

2 结构方案设计

2．1 结构布置

图1为利用三维作图软件绘制的三维透视图，从图中可以看出结构的空间布置，其主体由四层的空间桁架构成，顶层为带有悬挑端的连续梁和三角支架体系(顶层要求为水平面，故无法布置双向带有悬挑的连续梁)，具体的立面、平面和构件尺寸见图2和图3。

图1 结构透视图

图2 结构平面图

图3 结构立面图

2．2 荷载分析

模板可近似看作中间为四边支撑的双向板，四周为三边支撑的板，其荷载近似按45°对角线传递［9］，但“鱼腹梁”需叠合模板中“梁”的短距分布荷载;因加载盒尺寸的限制，通过试验发现若使得加载盒不产生堆载外漏，一般堆载需控制在50 kg范围内;相对于堆载，结构自重可忽略。

综上所述，即可将整个支撑结构顶部的竖向重力荷载分布到顶部连续梁、三角支架和鱼腹梁上，其具体计算简图如图4所示。

图4 计算简图

2．3 承载力估算

2．3．1 鱼腹梁强度设计

支撑结构顶层大梁采用鱼腹梁。在模型加载试验过程中发现，大梁跨中由于承受现浇梁的集中力易首先发生断裂，故采用普通的等截面箱型强度不够。考虑到大梁的受力特点，跨中弯矩特大，支座弯矩相对较小，遂采用变截面鱼腹梁的结构形式，既满足承载力要求，又节省材料。

2．3．2 立杆与连续梁节点的合理位置

在加载初期，为了避免非均布荷载使得模板支撑结构发生整体倾覆，立杆围成的矩形不宜过小;在加载中后期，为了使近似均布荷载产生的作用效应使立杆处于轴心或小偏心状态，以便充分发挥材料抗力，立杆围成的矩形不宜过大;故立杆作为连续梁的支撑，在方案计算时应使连续梁在立杆两侧的弯矩绝对值尽可能相同，从而使得立杆处于轴心受压或小偏心受压状态［9］。

下面给出了确定立杆与连续梁节点合理位置的近似计算步骤。

将结构简化为平面问题，考虑如图5所示的超静定刚架，由对称性可以取1/2作为等效结构。问题转化为对2次超静定结构的内力分析，可以用力法来计算［10］。取基本结构如图6～8所示。

图5 简化力学模型

图6 等效结构

图7 力法基本结构

图 8 M1，M2，Mp图

列出力法典型方程:

利用图乘法，可求出方程系数如下:

代入典型方程，整理得:

利用叠加法，求出立柱端弯矩为:

可见，当a2槡=2a1时，立柱弯矩为零，即立柱为轴心受压状态。用叠加法做弯矩见图9。

图9 弯矩图

从弯矩图可见，此时连续梁最大正负弯矩的绝对值相等，即连续梁弯矩分配均衡，受力合理。因此，当挑出长度是柱距的0．353倍时，节点两侧的弯矩相等，即立柱处于轴心受压状态。此计算结果与地基基础教材［11］中“地梁挑出长度宜为边跨柱距的1/4～1/3”基本一致;且与《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)［12］中8．3．1 条提到的“条形基础的端部宜向外伸出，其长度宜为第一跨距的0．25倍”相一致。

依据以上计算结果，本模型结构顶部连续梁设计为挑出长度75 mm，立柱间距为230 mm，挑出长度取跨距的0．326倍。

2．3．3 立杆的设计

四个立杆的受力以轴心受压为主，设计时主要从稳定性出发设计横杆分层，减小立杆长细比，提高稳定性。

设计时，考虑2种方案。一种是立杆分3层，一种是分4层，分别校核其稳定性。

立杆的约束可简化为一端铰支，一端固定，故长度系数 μ 取 0．7［13］。

立杆的截面尺寸如图10所示，b=7．00 mm，h=9．00 mm，t=1．00 mm。

图10 立杆截面形式

截面惯性矩

截面积

惯性半径

若分4层(总高600 mm，顶层层高80 mm，其余三层层高相同)，长细比

根据《木结构设计规范》(GB50005-2003)，轴心受压杆件的稳定性验算［14］，需满足

考虑结构的最大设计荷载60 kg，平均分到每个立杆上是15 kg

MPa，立杆的稳定性满足要求。

若分3层(顶层层高80 mm，其余二层层高相同)，

长细比立杆稳定性不符合要求。

因此，根据稳定性验算，模型主体结构立杆应分为4层。

3 模型制作及试验

模型制作工艺的好坏直接关系到结构的最终承载力。因此要求学生在制作模型过程中对结构的细部构件、节点处理细致，保证与计算模型一致。考虑到木材力学性能的离散性，模型中杆件制作、装配误差，节点模拟误差等不确定因素，对结构的荷载分析，承载力估算不能完全反映结构的实际受力情况，因此还需要进行必要的模型试验。模型试验的条件越接近实际比赛加载情况，其结果越具有参考价值。

3．1 对单个构件进行承载力测试以提高效率

在结构选型优化的过程中，本参赛组测试结构的极限承载力是采用破坏性试验。整个结构模型制作好后逐级加载，直至破坏。做一次加载试验必然破坏一个模型，模型无法复原，重新制作1个模型需要1～2天时间，耗时长。在赛期紧迫，备赛时间有限情况下，本团队设想，可先对单个构件测试承载力，单个构件的制作时间短，因此能大大提高试验的效率。例如，在确定鱼腹梁的截面尺寸时，先制作一个单跨鱼腹梁，两端简支，在跨中系砝码来模拟凸梁传递来的集中荷载，从而测出单个构件的承载力。

3．2 利用自制标尺测量位移

成套加载设备购买价格高达5万元。在经费有限，精确测量仪器缺乏的困难情况下，试制阶段只能采用自制方法来模拟加载试验，测试结构的承载力和位移。例如，加载盒竖向位移要控制在10 mm内，利用现有条件，在装满铁砂的瓶子内插入一根桐木杆，木杆标上刻度，将瓶子放置在支撑结构两旁对角线位置，木杆轻靠加载盒边沿，如图11所示。加载前，记下初始位置;加载开始后，观察标尺刻度对准情况，即可监控最大竖向位移。

图11 自制标尺测量位移

4 结语

本次结构竞赛以模板支撑结构的设计与制作为题，具有很好的实际工程意义。模板支撑结构在实际工程施工中广泛应用，其强度和稳定性关系到施工的安全。通过参加结构竞赛，学生增强了对模板支撑体系的感性认识，为今后从事土建设计、施工、管理工作作出铺垫。学生首先进行概念设计，宏观上把握了结构方案;在概念设计的基础上进行方案设计，运用已有的力学与结构知识对承载力、稳定性进行估算，思考承载力、稳定性与结构布置的关系，进行了力所能及的计算，并探索性地对结构进行了优化设计。结构设计竞赛是引导学生一次运用力学与结构知识解决工程实际问题的有益尝试［15］，强化了学生的专业知识，锻炼了学生理论联系实际的创新能力，提高了学生学习专业知识的兴趣和热情，是课堂教学活动的有益补充和延伸。此项活动值得在土建类高校中大力推广和坚持。

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