结构模型制作与方案确定

摘 要：土木工程专业结构模型设计竞赛已成为培养学生创新能力、实践能力和竞争意识的一个新兴实践教学环节。基于第十届全国大学生结构设计竞赛赛题，本文从设计思路、结构选型和节点处理与制作3个方面介绍模型。最终制作完成符合大赛要求的模型。

关键词：结构模型；结构选型；节点处理与制作

中图分类号：TU318 文献标识码：A

一、设计思路

本结构的大跨度屋盖是采用交叉张弦双拱结构。采用此种结构便于控制挠度，节约材料。整个结构受力主要由两个工字型曲线拱梁承担，两梁之间的斜拉条可以保证防止两个工字型曲线梁平面外失稳，在工字型曲线梁受力后，底部拉条受拉，正好发挥竹材抗拉性能。柱子采用4根带外拉竹条的“T”型柱。在柱子顶部搭接屋盖，屋盖将上部荷载直接传递给柱子，在柱子的外侧均有3个方向的拉条，增加结构的整体性和稳定性。

二、 结构选型

1.屋盖结构方案确定

对于这次的设计，我们分别考虑了桁架结构（如图1所示），网架结构（如图2所示），双拱结构（如图3所示），共3种设计方案。

（1）桁架结构是以桁架代替实心梁承受弯矩，它是由多根小截面杆件组成的“空腹式的大梁”，由于桁架相对于实心的梁在受弯方面更经济。此结构内力主要为轴力，结构模型很合理。但考虑到竹子的受压能力有限，经过多次试验，要想承受足够的荷载，其自重必然会很大，且挠度极小。

（2）网架结构是由很多杆件从两个方向或多个方向有规律地组成的高次超静定空间结构。由于杆件之间的相互空间作用，它具有桁架结构受力体系的优点，能承受弯矩、节省材料，同时具有空间稳定性，在各个方向均具有较好的刚度。但也正是它的这些特点导致此结构刚度太大，并且节点太多，结构的偶然性无法保证。

（3）双拱结构巧妙地结合了这两者的优缺点，此结构制作方法简单，材料利用合理，自重轻，强度大，挠度适合，节点少。整个结构受力主要由两个工字型曲线拱梁承担，两梁之间的斜竹拉条可以保证防止两个工字型曲线梁平面外失稳，在工字型曲线梁受力后，底部拉条受拉，正好发挥竹材抗拉性能。所以，经过多次试验比较，我们最后选择了交叉张弦双拱结构。

2.柱方案的确定

确定屋盖模型后，发现交叉张弦双拱结构在承受荷重后除产生重力外还要产生横向的推力，为保持稳定，就必须要有坚实、稳固的支座。因此，经过多次试验后我们选用截面为带外拉竹条的T型柱，如图4所示，此种柱强度大，质量轻，稳定性好，使柱子具有更好的稳定性。

三、节点处理及制作

1.杆件拼接连接

杆件连接顺序：首先将柱子和梁制作完成，然后在承台板上面先树立4根柱子，将制作好的工字型交叉双拱梁的4个脚点搭接在柱顶，并使用502胶水固定；然后将制作好的柱子拉索结构按照要求的尺寸固定在柱子的周围，并将拉索结构的另一端固定在承台板上面；最后按照设计的尺寸搭接工字型交叉双拱梁上的拉索结构。

2.节点连接

（1）工字型曲线形拱梁的连接。工字型交叉双拱梁分别使用两根规格为930mm×6mm×1mm的竹条和1根规格为930mm×3mm×3mm制作而成。两条工字型交叉双拱梁连接形成屋面主要受力构件，如图5所示。

（2）梁的节点处理。梁在制作的过程中，由于单根竹条长度不够，所以必须进行竹条的加长处理。为了增加逐条的粘胶面积，将竹条想成“L”形接口并在其两侧附加竹条加固，如图6所示。

（3）梁和柱子的连接。梁先和张弦拉索连接在一起，梁和张弦的连接是依靠粘接在张弦上的斜口竹片（斜口角度30度为宜）和梁的楔形末端咬合粘接。在张弦的底部附加规格为930mm×6mm×1mm的竹片（略長于梁末端的楔形口）然后将梁末端的楔形口下的竹片和柱子顶部搭接并用502胶水固定，并加挡片用规格为1250mm×430mm×0.2mm的竹皮条缠绕，从而达到加固的效果，如图7所示。

（4）柱子顶部和拉索的连接。在成型的柱子的周围黏结拉索，并在柱子顶部10mm-20mm处用规格为1250mm×430mm×0.2mm的竹皮纸裁剪成5mm宽的条状缠绕，从而达到加固的效果，如图8所示。

（5）拉索和柱身的连接。在柱子的中点以上30mm处用规格为930mm×6mm×1mm裁剪成适当长度的短竹条，顶起拉索，以此增加柱子的稳定性，如图9所示。

3.柱脚节点

拉索和柱子与承台板的连接。为了使结构和承台板稳定的连接，柱脚和拉索底部都增加了与承台板接触面积，如图10所示。

结语

本文以全国第十届大学生结构设计大赛为例，详细介绍了模型屋盖结构方案比选，柱方案确定，并结合实际手工制作，最终完成符合大赛要求的模型。

参考文献

[1]陈吉光.结构模型设计制作与分析——以2015年吉林省大学结构设计大赛为例[J].中国新技术新产品，2016（5）：89-90.