全国大学生结构设计竞赛赛后总结和思考★

王 琪 陈 云* 姜宝石 李光范

(海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

全国大学生结构设计竞赛赛后总结和思考★

王 琪 陈 云* 姜宝石 李光范

(海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

主要对参加第八届全国大学生结构设计竞赛模型的设计、制作和性能测试进行了赛后总结，阐述了在模型制作中有关结构抗震和减震功能的设计、结构刚度的合理分配以及构件的连接设计，通过对结构构件设计进行多次改造，使构件承载力不仅能够满足要求，还能具有一定的减震作用，从而达到质量轻、承重大、抗震强的设计目标。

结构设计，抗震，减震，节点连接

第八届全国大学生结构设计竞赛赛题是三重檐攒尖顶仿古楼阁模型制作与测试，赛题的大体结构框架都已经规定，虽然不能从模型主体结构的设计入手创新。但构件的设计完全可以有所创新，譬如梁与柱的连接设计，柱子和顶层之间的连接方式以及构件的截面设计。总体设计可以按“强剪弱弯，强柱弱梁，强节点弱构件”的要求来做，除此之外结构的抗震和减震设计都可以通过构件的构造设计来达到。另外，对于结构的刚度分配，应遵循“从下往上，逐级递减”的原则。

1 赛题回顾与分析

1.1 模型要求

模型结构形式。大赛给定模型为三重檐攒尖顶仿古楼阁(见图1)，模型现存实例可参见西安钟楼。此次竞赛模型如图1所示，共有3层，1层，2层分别设有屋檐。1层～3层楼面标高(由底板上表面量至各楼层梁的上表面最高处)分别为0.24 m，0.42 m，0.60 m。该模型正是效仿了西安钟楼古建筑的构造特色，以其高台基、柱脚的平摆浮搁、梁柱节点的半刚性榫卯连接、柱架的生起和侧脚、梁端的雀替、枓栱铺作层以及“大屋盖”等特殊的营造技术，使得古建筑木结构有着不同于现代钢筋混凝土结构、砌体结构和钢结构等建筑物的优良抗震性能。

1.2 比赛规则和评分标准

模型失效评判准则。模型在进行加载时，出现下列任一情形则判定为模型失效，不能继续加载。同时将上一次加载级别视为该模型实际所通过的最高加载级别，并作为模型效率比计算的依据：1)模型中的任一构件出现断裂或节点脱开。2)配重脱落(包括配重条一端沿长度1/3部分脱离其支撑构件而另一端悬挂于结构上情况)。3)第三级加载完毕：较加配重前，第1层屋檐的屋脊曲线段末端和檐口直线段中点沿铅直方向下挠度超过10 mm。模型效率的计算如式(1)和式(2)所示：

(1)

设Emax为所有参赛模型中的最高效率参数，第i参赛组模型加载表现分Ki的计算公式如式(2)所示：

(2)

其中，α为抗震调整系数，通过第一级加载取0.5，通过第二级加载取0.75，通过第三级加载取1.0。第一级加载失效者，为0。以上A～D各项得分相加，分数最高者优胜。

1.3 对竞赛评分规则的分析

此次结构设计竞赛有三个加载阶段，每一阶段抗震系数分别为0.5，0.75，1.0。针对这一规则，我们分析得出：能否获得奖项的决定因素在于模型质量的轻重。此次竞赛作品中质量最轻的是上海交通大学的模型，其质量为47.6 g。虽然没有全部通过地震模拟加载，但是最终获得了一等奖。类似的，其他高校的模型质量也很轻，但均未通过全部加载，依然能得到奖项。我们此次竞赛虽然顺利通过了所有加载，但是质量太重，足有176 g。根据比赛评分标准，我们加载环节得分仅相当于一个88 g的模型通过一级加载的得分，而在各个高校的模型加载中，质量在80 g以内的作品大多数很容易通过一、二级加载。因此，大多数高校的质量都在80 g以内，采取的是“保三等奖，争一等奖”的策略。

2 对结构设计的分析

2.1 结构柱子的刚度合理分配设计

对于一个需要满足足够抗震性能要求的建筑结构而言，刚度的分配显得尤为重要。首先，底层柱子不宜过刚或过柔。理论上，下柔上刚式的结构有隔振的效果。由于底层柱子刚度小，其变形大，因此能消耗地震的能量，而底层以上各结构由于刚度大，结构变形小，故保持在弹性范围内。但是，对于底层柱子刚度不足的模型结构，在地震模拟加载时会引起下柔上刚式结构的破坏。在此次结构设计竞赛中，某高校因采用下柔上刚式的结构刚度设计导致在第一级地震加载时出现底层柱子的破坏。其原因就是忽略了底层柱子在承受水平方向荷载的同时，也要承担起竖向荷载的作用。如果柱子在水平荷载作用下产生破坏，就不能承受竖向荷载，会导致整个结构将不安定，甚至压坏。这种下柔上刚式结构失败的原因就是忽略了柱子对于水平荷载及竖直荷载所引起的双重作用。所以在设计结构各层柱子刚度分配的同时，既要考虑底层柱子的柔度，又要考虑其不会发生下柔上刚式的破坏。第2层和第3层柱子要做得相对柔一些。顶层的配重使得模型在加载时第3层结构会承受很大的惯性力，柔性支撑会起到很好的减震效果，会减小地震产生的晃动幅度，从而较好的保护结构构件。如图2所示为上海交通大学参赛模型，其框架结构为柔性结构，其中一些柔性支撑在模拟地震加载中可以消耗地震能量，从而达到减震的效果。但总体而言，模型结构合理的刚度分配应遵循“从下往上，逐级递减”的原则。

同时值得注意的是，由于底层柱子的长细比不宜过大，在满足柱子刚度的同时，为了防止柱子因长细比过大而失稳，可以在柱子内部按一定距离加隔板，但是隔板不宜布置的过疏或过密，过疏则起不到很好的效果，过密则在加载过程中会引起隔板过密处柱子部分应力集中而导致其破坏。

2.2 构件的连接方法及其抗震设计

在结构抗震设计中，可以采取“以柔克刚，摩擦耗能”的设计理念来制作抗震构件。在梁和柱的连接上，可以采用类似古建筑的榫卯连接方式(如图3所示)。榫卯的连接方式是介于铰接和刚接之间的半刚性连接，它具有比刚接变形大而比铰接变形小的特点。在模拟地震加载的过程中，梁柱的榫卯连接方式在水平反复荷载的作用下，榫卯节点由于榫和卯之间的滑移和限位转动产生摩擦和挤压变形，从而达到减震耗能的作用。对于悬臂构件，由于悬臂构件会承受较大的弯矩，导致其竖向位移过大，使节点发生破坏。为了防止这种情况发生，可以改变悬臂构件和柱子的连接方式，采用加腋的方式使悬臂构件和柱结合成一个整体的刚性连接，在靠近节点部位可增大悬臂构件的高宽比，增大截面惯性矩，从而可以有效改善构件竖向位移过大导致的节点破坏。

2.3 构件的截面设计

构件的截面设计也应按照“强节点，弱构件”的原则。构件的节点连接处易发生剪力破坏，节点处的连接有许多方法。例如，加腋或使用类似钢结构中节点固结的连接方式等(如图4所示)。

构件的截面设计有工字形、槽形、箱形、T形、L形、三角形、圆环形等。比如柱子构件可以采用箱形、三角形、圆环形和L形，梁的设计可以适当减弱，可做成工字形、T形或I形，甚至顶层的构件里梁可以不用。构件截面的设计可以按其工作性能的需要来合理设计，应遵循“强柱弱梁”的原则。

3 结语

模型的制作要充分考虑到模型在加载过程中可能出现的薄弱环节。首先，刚性结构的模型承重大，加载过程中变形小，但节点处易发生因应力集中导致的破坏，而且相对较重。而柔性结构的模型与之恰好相反，柔性结构在满足承重的前提下，加载过程中变形大，可以消耗地震能量，达到减震的效果。所以合理的刚度分配是在模型的设计和制作中至关重要的一步。其次，对于这种仿古建筑而言，可以借鉴古建筑的方式。榫卯的连接方式是古建筑中十分常见的，榫卯连接方式可以通过摩擦耗能，并且可以发生限位转动，这种连接方式十分有利于抗震。最后，构件的截面设计应充分考虑到其受力的特点，从而采取不同的截面设计方式。通过多次地震加载试验，可以测试不同种截面设计的优劣。大体而言，构件的设计应遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计原则来制作模型。在这次比赛中，虽然我们的模型没有得奖，但顺利通过了三级加载。由于没有振动台，无法进行模拟试验，所以模型的制作偏向保守。我们制作的模型是刚性结构，所以在人工实验过程中，只要发生节点破坏，就对节点的连接设计进行多次改进，使其能在加载中承受更大的惯性力。比赛加载的效果也充分展示了其节点的牢固性，并顺利通过加载。然而，我们对构件的设计不合理，没有有效地对结构进行减震设计，这也是我们模型的一大缺陷。图5为我们的参赛模型。

这次参加竞赛，让我们受益匪浅。通过相互学习，我们学到了很多优秀作品的设计方法和形式。通过赛后分析，将一些优秀作品的设计方法总结下来。优秀的作品不仅在以上各方面设计中面面俱到，而且模型的设计也是千奇百怪，新颖独特。结构设计不仅是对专业知识的运用，更是打开了土木人的眼界，让我们去探索结构的奥秘，让我们深深感受到结构设计对土木工程莘莘学子巨大的魅力。

[1] 张 帅.殿堂式钢筋混凝土仿古建筑抗震设计研究[D].西安：西安建筑科技大学,2012.

[2] 苏 军.中国木结构古建筑抗震性能的研究[D].西安：西安建筑科技大学,2008.

[3] 傅金华.日本抗震结构、隔震结构的设计方法[M].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[4] 姚 侃,赵鸿铁,葛鸿鹏.古建木结构榫卯连接特性的试验研究[J].工程力学，2006(10):168-173.

[5] 葛鸿鹏,周 鹏,伍 凯,等.古建木结构榫卯节点减震作用研究[J].建筑结构,2010,40(sup):30-36.

Summary and reflection of national structure design contest for college students★

Wang Qi Chen Yun* Jiang Baoshi Li Guangfan

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HainanUniversity,Haikou570228,China)

This paper mainly summarizes experience for the design, production process, and mechanical properties of the fabricated model for the 8th national structure design contest for college students. In addition, the energy dissipation design of the structure, the reasonable distribution of structural stiffness, and the connecting methods of the components are also introduced. Through multiple improvements for structural design, it not only makes components bearing capacity meet demands, but also has certain shock absorption role, so as to achieve the design targets of light weight, large bearing and strong seismic resistance.

structural design, anti-seismic, shock absorption, components connecting

2015-05-22★:国家自然科学基金资助(项目编号：51408170)；国家科技支撑计划课题(课题编号：2012BAJ13B02)；海南省自然科学基金资助(项目编号：514208)

陈 云(1980- )，男，博士，讲师

1009-6825(2015)22-0221-02

G642.0

A