结构模型设计制作与分析

陈吉光

摘 要：大学生结构设计大赛可以提高大学生的工程实践能力和创新能力，同时，也增强了大学生团队合作能力。本文以2015年吉林省大学生结构设计的赛题“传承-山地桥梁结构设计及手工装配制作”为例。从赛题简介、结构选型、结构布置、结构模型数值模拟及模型分析等过程进行简述。

关键词：结构模型；模型设计；制作与分析

中图分类号：TU318 文献标识码：A

大学生结构设计竞赛的宗旨是：培养大学生的创新意识、合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质，加强高校间的交流与合作。2005年在浙江大学举行第一届全国大学生结构设计大赛，2015年在昆明理工大学举行第九届全国大学生结构设计大赛。为迎接2015年“第九届全国大学生结构设计竞赛”，吉林省举办第六届吉林省大学生结构设计竞赛，暨全国选拔赛。

一、赛题简介

总体模型由给定的山体模型、制作的桥梁模型和作为底座连接用的承台板三部分组成（如图1、图2所示）。给定的山体模型有虎口、隧洞和棱台山体模型。承台板的标高为±0.00m，虎口山体虎口底面的标高为﹢0.14m，隧洞山体洞口底面的标高为﹢0.30m，棱台山体山顶平面的标高为﹢0.20m。桥梁模型由A、B两段桥依山而成。A、B桥段结构的所有构件及节点均采用给定竹材与502胶水手工制作完成。A、B桥段结构桥面板制作时要求满铺，不允许有空隙。B桥段在给定位置设有减速带。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，模型与承台用自攻螺钉通过连接件连接，承台板采用生态实木板制作。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，河流内不允许设置桥墩。

二、结构选型

对于这次的设计，我们分别考虑了斜拉桥、拱桥、桁架桥和梁式桥的设计方案。斜拉桥可以看作是大跨径的公路桥，且对柱塔刚度有较高的要求，所以斜拉桥对材料的要求比较高，对于用厚竹皮做柱来讲，既增加桥梁重量又费材料；拱桥最大主应力沿拱桥曲面而作用，而沿拱桥垂直方向最小主应力为零，可以很好的控制桥梁竖直方向的位移，但选择拱桥需要提供的强大端部锚固，且提供水平力，显然也不是一个好的选择；桁架橋具有比较好的刚度，腹杆即可承拉亦可承压，但对柱的承载能力有很高的要求，因此，我们也放弃了制作桁架桥的想法；而梁式桥有较好的承载弯矩的能力，也可以较好的控制使用中的变形，桥梁具有足够的稳定性，所以，相比之下我们最后选择了梁式桥。

三、结构布置

图3为本次参赛的结构总体图。A段桥（图4）是连接虎口与隧洞，B段桥（图5）是连接隧洞和棱台。桥面宽度为120mm。在主体结构方面，桥梁主体结构采用5片T型主梁，T型主梁横向采用错位横隔梁（图6）进行连接，以保证桥梁的整体稳定性。同时，横隔梁采用凹形，以节约材料和减轻重量。A段和B段桥墩采用独柱墩，为了保证柱的稳定性，在柱墩表面用箍缠绕。根据A、B段虎口、隧洞和棱台标高不同。A桥段弧长为1465mm，A桥段中的直桥段长为73.2mm。B桥段与棱台和隧洞搭接处的弧长分别为378mm和200mm，B桥段中的直桥段长为84.4mm。A桥段共设置4根柱，B桥段共设置2根柱。

四、结构受力模拟

数值模型的建立：

此结构为T型梁结构，涉及杆件较多，通过手工计算难以获得准确的计算结果。因此，我们采用结构分析软件ANSYS建立计算模型，在建立计算模型的过程中做了一些分析假定。在假定的基础上，采用ANSYS建立跨河处的计算模型，如图7所示。

数值模拟分析：

桥梁跨河处为最大跨处，对该段桥进行弯矩、剪力、应力和位移进行分析（如图8～图11所示），分析表明：柱子在承受较大压力时会发生失稳破坏和弯曲破坏，节点处会因承受较大弯矩而发生破坏。为防止结构发生上述破坏，在制作时可以采取如下措施：（1）在节点处粘接竹片粘接板，不仅起到连接构件的作用，还能起到一定的抗压作用。（2）基于桥面各处标高不同和桥面内外标高不同，在梁柱节点处，尽量把梁柱节点放置靠外，同时，把墩柱的接口处放在桥的内侧。由数值仿真和实际加载可以看出：梁跨中处弯矩大，应加强T型梁的梁高；桥梁转弯处，由于动荷载作用在桥梁结构上的位置随机性很大，容易发生桥梁倾覆。

结语

随着土木工程专业的本科生教学水平的不断提高，对实践环节要求越来越高，结构设计大赛难度也是逐年增高。以本文的竹桥为例，桥梁上车载的随意性及偶然性，要求在设计时，要有相应的安全冗余度，对参赛选手提出了更高的要求。结构设计大赛能全面考察学生知识综合应用能力和动手实践能力及创新能力。

参考文献

[1]叶见曙，李国平.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]顾凌赟，殷怡，徐燕，刘宝兵.全国大学生结构设计大赛研究与竞赛指导初探[J].中国电力教育，2011（23）：131-132.

[3]张洪信，管殿柱.有限元基础理论与ANSY14.0应用[M].北京：机械工业出版社，2015.