结构设计竞赛中渡槽支承系统模型设计与制作

马肖彤　金建辉　戚海冕　韩威

【摘 要】文章根据宁夏自治区第二届结构设计竞赛的竞赛细则，结合对材料的性能分析，通过赛题分析、方案构思、结构选型、分析计算四个方面，介绍了渡槽支承系统模型的结构设计和模型制作方法。

【关键词】结构设计竞赛；渡槽支承；模型设计

0 引言

为深入推进土木工程人才培养模式改革，培养大学生的创新思维和实际动手能力，增强大学生工程结构设计与实践能力，促进宁夏回族自治区高校大学生相互学习和交流。在2017年7月中旬如期举办了“2017年第二届宁夏回族自治区大学生结构设计竞赛”。竞赛由宁夏教育厅主办，宁夏大学承办。竞赛题目依据国赛题目为“渡槽支承系统结构设计与制作”，要求设计自重在一定范围内且有较大承载能力及输水效率的渡槽支承系统模型[1-3]。

1 赛题回顾及分析

竞赛组委会统一提供6种规格的本色复压竹材、502胶水、美工刀等材料，制作渡槽支承系统结构模型并进行输水加载试验， 模型结构形式不限，支承个数不限， 所有杆件、节点及连接部件均采用给定材料与胶水手工制作完成；输水管可捆绑、吊挂或搁置在模型上，只允许使用给定材料连接，不得直接使用胶水粘结输水管；模型与承台板之间采用自攻螺钉连接； 模型制作时间累计为 18 小时。

支承系统结构模型用于支承输水管， 可以自行选定输水路线，但应经过指定的两个灌溉点 A、B，即输水管在承台板上的正投影应覆盖 A、B二点。

本次竞赛的评分标准为：1）计算书及设计说明 10 分；2） 结构选型及制作质量 10 分；3） 现场表现 5 分；4） 模型加载 35 分；5）模型卸載 15 分；6） 输水效率 25 分。

其中，模型加载分为F4=×35，？琢=，当？琢>1时取1。Mmin为所有加载、卸载成功且S≤10kg的所有模型最小自重；S为输水损失，S=W0-W2；M为模型自重，M=M1+M2，当F4大于35时取35；模型卸载F5=×15，如果S>10kg，模型卸载为0分；输水效率：F6=（1-0.1S）×25，如果S>10kg，输水效率为0分。

通过对赛题的研究可知，本次竞赛设计模型需要考虑加卸载承重以及排水效率等问题，其中由于加载卸载的50分主要由结构重量决定，因此，模型成功的关键就在于如何在满足承重的前提下尽可能的减轻重量。为所有加载、卸载成功且S≤10kg的所有模型最小自重；

2 方案构思

模型主要承受500N水流活荷载和一定的水平冲击荷载，同时要求结构有较强的抗剪能力。

（1）由于此次竞赛，结构形式不限，所以要在充分利用材料性能的基础上进行结构的合理设计，考虑到输水效率的问题，以及输水管在承台板上的正投影必须覆盖A、B两点，因此设计支承结构为桥梁结构结合刚架支撑结构。

（2）设计的总原则是：安全、经济、美观，模型荷重比能够体现模型结构的合理性和材料利用效率，所以尽量要减轻结构重量，因此结构不能太复杂，杆件数要尽量少尽量轻。

（3）由于所提供的材料抗压性能弱，抗拉性能较强，在保证质量要求量轻巧的前提下，竖直荷载较难满足，水平动荷载对结构的刚度要求较高，同时要求结构有足够的稳定性。因此，如何合理地利用材料设计出满足要求的结构形式和截面形式非常重要。

3 结构选型

3.1 材料截面选择

三角形为一种受力均匀、非常稳定的结构单元，便于竹条性能的发挥，因此材料截面选择三角形为基础，将三角形拼接为菱形作为主截面。主体承重柱子截面为2根10mm×10mm×10mm×5mm三角形和15mm×15mm双层三角形的杆件粘接而成，保证抗压的同时减轻材料的质量，主要的承重构件基本都是以这种截面为主，截面示意图如图1所示。

图1 截面图

3.2 结构设计

根据对赛题的研究分析，为了满足受力要求以及输水效率问题，渡槽支承系统设计为桥梁结构加空间刚架体系，节点间有斜撑连接。桥梁结构见图2所示，选用这种桥型考虑到了支座就不需要做的特别牢固，该桥的主要承重构件就是两根大的斜撑，将两根横梁分成三跨，可以减小横梁的压力，支座部位我们担心向两边倒，即出现平面外失稳，我们在以前桥梁的基础上加了两根拉条。因为竹条的抗拉强度特别高，为了增强稳定性在两根柱子之间加了两道斜撑增强了稳定性。在节点部位为了模仿刚节点，用最薄的竹片进行包裹这样可以很大程度上增强节点间的强度。这种结构优点是受力简单明了，稳定性好，承受荷载大。

刚架最初设计为平面刚架，但是考虑到这种形式平面外稳定性差，容易倾覆，并且对支座的强度要求较大，增加了支座的制作难度，因此改进为空间刚架结构，这样既可以提高稳定性，也可以忽略支座的作用，另外，为了增强结构整体稳定性增加了两道斜撑。

3.3 节点设计

主体结构相交的节点由于杆件的倾斜在施加动载和静载时会引起较大的剪力，在连接时用比较薄的竹片将节点部位进行绑扎，从而在结构受力计算时一些节点模拟成刚接节点。

斜撑相交时，将斜撑直接搭接，并用小竹片的辅以胶水粘接，避免直接穿插的榫接节点破坏材料的局部力学特性。

4 受力分析及计算

4.1 结构建模

对于该渡槽支承系统，在进行结构内力分析时分别按照桥梁和空间刚架结构进行计算。该结构为多次超静定结构，手算过于复杂且难以得到精确的结果，所以采用有限元软件ANSYS进行分析[4]。本结构的制作材料为竹材，节点处用胶水进行粘接，其作用介于刚接与铰接之间，刚接作用较强，所以计算时采用刚接较为合理。分析时取最不利进行。

建立的有限元模型如图4所示：

（a）桥梁结构 （b）刚架结构

4.2 计算及分析

根据《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2012）5.6条：建筑结构设计的动力计算，在有充分依据时，可将重物或设备的自重乘以动力系数后，按静力设计计算。动力系数即为在承受动力荷载的结构或构件，当按静力设计时采用的系数，其值为结构或构件的最大动力效应与相应的静力效应的比值。所以在计算模型时，结构计算分析采用静力计算方法，将水流荷载乘以1.2的动力放大系数转换为静力荷载进行分析。

（1）桥梁结构

通过计算可得桥梁结构应力云图及变形图5，由图所示，在整个受力过程中，结构构件竹材拉应力最大为21Mpa，压应力最大为19.65Mpa，均未超过抗拉强度60MPa 和抗压强度30MPa的材料极限值，满足结构承载能力要求。在水管及水流荷载作用下，纵横梁为弯曲变形，柱为轴向变形加弯曲变形，结构最大变形量为8mm左右，通过查阅文献可知，该类结构在变形约 15mm、以内时基本为弹性变形，除去结构初始连接变形外，其余变形均可恢复。因此，结构变形满足要求。

（2）刚架结构

通过计算可得刚架结构应力云图及变形图6，由图可见，在整个受力过程中，结构构件竹材料拉应力最大为16.19Mpa，压应力最大为 4.98Mpa，均未超过抗拉强度60MPa 和抗压强度30MPa的材料极限值，满足结构承载能力要求。水管及水流荷载作用下，纵横梁为弯曲变形，柱为轴向变形加弯曲变形，结构最大变形量为0.79mm左右，结构变形满足要求。

5 结语

在进行结构的设计时，首先应对结构进行合理选型，根据设计条件和使用要求确定结构形式，在此基础上进行下一步分析。本模型就是首先根据赛题要求确定了渡槽支承系统的组成结构形式，然后用有限元软件进行分析和论证，最后通过实际制作来不断改进。

此外，在模型的制作过程中精细的加工十分重要，保证模型截面、节点等关键部位符合设计及有限元建模的要求，使实验结果与计算结果较为接近，这样才能制作出好的结构模型。

【参考文献】

[1]卢惠民，李迅，徐晓红，等.合作学习教学模式在学科竞赛中的应用研究[J].高等教育研究学报，2013，36（3）：80-82.

[2]张炎圣，陆新征.大学生结构设计大赛中的计算机仿真分析[J].力学与实践， 2009，31（4）：110-112 .

[3]舒小娟，黄柱，周旭光.纸拱桥结构模型优化建模分析-大学生结构设计竞赛谈[J].力学与实践，2012（4） ：89-92.

[4]武江传.ANSYS 在结构分析中的应用[J].连云港化工高等专科学校学报， 2002，15（3）：29-31.

[责任编辑：张涛]endprint