大跨度结构模型的设计与制作

2015-05-30王建东邹名浩郑俊超徐学飞曹晓影郁嘉诚

科技创新导报 2015年35期

王建东邹名浩郑俊超徐学飞曹晓影郁嘉诚

摘要：以第九届全国大学生结构设计竞赛为背景，阐述大跨度结构（高架桥）模型的设计与制作过程，并分析了该模型的特点与受力特性。题目要求学生在一定的专业理论基础上，创建一个结构模型，并对其进行受力状态的模拟分析，逐步对作品进行改良，最终确定较合适的结构模型。赛题还要求学生学习和利用先进的3D打印技术，充分培养了学生的动手能力和创新能力。该作品最终取得了优异的成绩，其结构模型的设计思路以及制作方法对今后的结构设计竞赛具有一定的参考价值。

关键词：结构设计竞赛高架桥模型

中图分类号：TU318.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0054-02

“建工杯”全国大学生结构设计竞赛在昆明理工大学隆重开幕，此次赛题采用了以滇缅公路为现实基础制作两段连接山体的桥梁模型，不仅响应了抗日胜利70周年的大背景，也很好地体现了结构设计竞赛的价值。该文从竞赛要求出发，对参赛作品——“浩影东飞”的设计和制作思路进行全面介绍与分析，对结构设计竞赛的模型设计和制作有很好的借鉴作用。

1 赛题与要求

竞赛赛题是制作“两段山体模型”。整体模型是由给定的山体模型、制作的桥梁模型和作为底座连接用的承台板3部分组成。给定的山体模型包括虎口、隧洞和棱台模型。承台板的标高±0.00 m，虎口山体虎口底面的标高为﹢0.14 m，隧洞山体洞口底面的标高为﹢0.30 m，棱台山体山顶平面的标高为﹢0.20 m。桥梁模型由A、B两段桥依山而成。A桥段结构要求所有构件及节点均采用给定竹材与502胶水手工制作完成。B桥段结构的杆件采用给定竹材和502胶水手工制作，节点及连接部件采用给定的ABS塑料3D打印而成，最终B段桥梁结构由杆件与节点及连接部件装配而成，装配过程中不允许使用502胶水，并且A、B桥段结构桥面板制作时要求满铺，不允许有空隙。同时B桥段在指定位置设有减速带。连接用承台板主要用来承托给定的山体模型和制作的桥梁模型，模型与承台板用自攻螺钉通过连接件连接，承台板采用生态实木板。承台板上设有一条具有一定宽度的模拟河流流经A、B桥段，为便于通航，河道内不允许设置桥墩。详见模型三维透视图（图1）。

赛题最终是以两级动荷载（载重小车）在一定速度下安全通过为得分准则，再结合模型质量、模型设计方案和制作的工艺进行综合评分。

2 结构设计

2.1 概述

现代桥梁分为梁式桥、拱式桥、钢架桥、悬索桥、组合体系桥等基本类型[1-2]。此次竞赛赛题对学生的结构知识运用能力、创新能力、动手能力和团队协作能力等提出了更高的要求，挑战性非常强。这既要求选手们从实际出发，参考诸多桥梁结构特点，又需要加入一些创新理念，最终形成设计方案。

2.2 模型设计与理念

2.2.1 桥墩设计

桥墩不仅是传递纵向荷载的主要构件，也是支撑桥梁和连接承台板的主要构件。这要求桥墩顶部、底部有合理的外形设计，有效地与桥梁和承台板相连，能够承受赛题所提供的静（动）荷载等，同时要尽量减轻桥墩的质量。因此模型采用变截面箱型柱，并在墩脚处粘结翼板并打孔。同时考虑到柱子弯矩是从顶部到底部逐渐增大的趋势，所以采用变截面箱型柱来满足承载要求。再将柱顶截面增大，使桥墩与桥梁连接更稳定的同时，避免了桥墩因受集中力而破坏的情况发生；在柱底部设置翼板并打孔，有效地增大了桥墩通过自攻螺钉与承台板连接时的强度。

2.2.2 桥梁设计

桥梁是承受行车静（动）荷载的主体结构。当小车行驶在桥梁上时，车辆动荷载通过4个车轮传递给桥梁，由桥梁传递给桥墩、再传递给承台板。4个车轮与桥梁作用点可简化成4个集中力作用点，为了使桥梁可以承受集中力，在相应轮距下设置两根箱型梁，同时为保证车的行驶速度，拓宽行车道，在垂直箱型梁纵截面处增加劲肋。

2.2.3 节点设计

手工节点的制作，用502胶水将各部件拼接在一起即可。结点要保证连接可靠性的同时使质量最优化。

设计3D打印节点时，既要使节点和杆件有效连接，又要考虑节点的可操作性和质量等因素。

2.3 结构验算

在整个结构设计方案完成后，理论验算成为制作模型前的重要准备工作。该工作分为手算与电算校合两部分。手算部分是结合赛题，将结构尽量简化，找出在静（动）荷载作用下的最不利位置，利用所学的结构力学等知识[3-4]，分别进行计算，来检验各杆件的承载能力和刚度。

电算部分是借助有限元软件进行建模分析。常用的软件ANSYS、SAP200和MIDAS等。图2和图3是利用MIDAS进行的桥梁验算结果图。具体验算包括承载能力验算、刚度验算、稳定性验算、位移验算等。

3 模型的制作

根据上述模型的设计理念和计算结果，先完成各杆件的制作，同时将B段的各3D节点逐个打印，然后进行各节点拼接和细部的处理，最终制作而成的模型照片（见图4）。

4 结语

结合赛题，模型既采用了实际工程上的结构形式，又有天马行空似的创新点。总的来说，结构设计竞赛是理论与实践的有机结合，只有灵活运用力学理论到实践中，才能最大限度地提高设计和制作水平。希望该文对热衷于结构设计的同学有所借鉴和帮助。