江苏省土木工程学科竞赛作品方案及分析

蒋跃楠　李国

摘 要 学科竞赛作为高校培养大学生综合素质和创新精神的有效手段和重要载体，对于推进校风学风建设，培养学生的创新精神、协作精神和实践能力，激发学生的学习兴趣和潜能具有重要作用。以2016年江苏省大学生土木工程结构创新竞赛为例，介绍金陵科技学院三组参赛作品的方案构思，利用有限元对参赛作品进行分析和完善，最后总结本次学科竞赛在提升本校土木工程专业学生创新能力、教师教学能力等方面的成效，为同类比赛作品的创作与指导提供参考。

关键词 土木工程；学科竞赛；模型作品

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）20-0105-04

Scheme and Analysis of Civil Engineering Competition works in Jiangsu Province： As Entries of Jinling Institute of Technology an Example//JIANG Yuenan， LI Guo

Abstract The subject contest is an effective means and important carrier for cultivating college students comprehensive quality and innovative spirit. It helps to promote the construction of school spirit，

train students practical ability and stimulate their interest and poten-

tial. As an example of Jiangsu province college students civil engi-

neering structure innovation competition in 2016， this paper intro-duced the scheme conception of three entries of Jin ling institute of

technology， by finite element their mechanical mechanism was ana-lyzed. Finally， its efficiency in enhancing the ability of students and teachers in civil engineering had been summarized， which provided a

reference for the similar works creation.

Key words civil engineering； subject contest； model works

1 前言

近年來，我国高校的创新创业教育发展迅猛，各种创新教育的理念及方法层出不穷，并取得一定的成效。学科竞赛作为课堂教学的延伸，是提升大学生创新创业能力的重要平台，对培养大学生的创新意识、创新思维和团队合作精神，提高分析问题与解决问题的能力，具有十分重要的作用。该类竞赛一般由赛事组织者给出题目，学生组队参加，以制作作品的方式参与比赛，体现创新性是获胜的关键。由于学科竞赛在高校培养大学生综合素质和创新精神、推进学风建设、激发学生学习兴趣和潜能方面的作用较大，各级教育部门和教育工作者对该赛事十分重视。

2 江苏省大学生结构创新竞赛的内容及要求

江苏省大学生土木工程结构创新竞赛是一项由中国土木工程学会教育工作委员会江苏分会即江苏省土木工程教育委员会主办，在全省高校中开展的具有导向性、示范性和群众性的土木工程专业学术科技活动，自2005年以来，每年举办一届，对推动江苏省土木工程学科的创新活动起到非常积极的促进作用。

2016年，江苏省大学生土木工程结构创新竞赛在淮阴工学院举办，该比赛分结构模型展示和现场模型制作与加载两大部分。根据《江苏省土木工程专业大学生结构创新竞赛一号通知》（2016），模型展示作品的最大单向尺寸要求小于800 mm，并能反映土木工程建筑必要的力学概念、结构概念和创新思维，鼓励大学生在结构形式、传力途径、外观造型及使用功能等方面进行创新。模型制作与加载试验作品为空间桁架，要求模型的总长度为1000 mm、净跨度为950 mm、宽度不超过200 mm，模型的加载试验时间包括加载前的准备工作、加载试验和清理现场等工作，限制在18分钟以内；加载在10级之内完成，每级加载后必须持荷一分钟以上才能施加下一级荷载。结构破坏的判定条件：

1）加载模型中任意一根骨架杆件发生断裂或屈曲；

2）任意一个节点破坏或杆件间连接发生脱离；

3）模型整体垮塌；

4）现场专家认定模型已失效。

模型的最大承载量按失效时施加的前一级重量确定，成绩承载比确定，即模型的最大承载力（kg）与模型重量（g）的比值。

3 参赛作品的方案构思

根据主办方的比赛要求，金陵科技学院提交两组模型展示作品和一组现场制作与加载作品，经过层层选拔，确定六位参赛选手。两组展示作品有建筑模型和桥梁模型两种，加载模型为一空间桁架。

本次参赛的建筑模型命名为“水榭叠扇”，其实体图形如图1所示。由图1可知，模型外观新颖，造型独特，由若干单拱组合而成的骨架浑然一体；屋面采用新颖薄膜材料，轻盈典雅。其设计灵感来自于古典绢扇，主体拱流畅似扇骨，屋面清透似扇面，构成一幅素秀唯美的画面，拱和挑檐的完美结合又营造了一种亦拱亦挑的动态氛围，使建筑物舒展飘逸、神采飞扬，体现了一种蓬勃向上的活力之美。整个建筑物形状饱满、设计灵动，大小不同的两组方案，视觉上形成对比，空间上层次感分明。endprint

该模型采用大跨度钢结构，主要受力构件为单拱，单拱外侧的飞檐部分通过树状支撑连接于主拱，使竖向荷载均匀地向下传递；屋面结构为横向桁架和檩条，为防止拱底产生水平位移，在每一单拱的底端设置预埋拉锁进行固定。

方案下拱上挑的形式可以使屋面雨水自动地向一处收集，实现水资源循环使用的绿色理念；屋面的ETFE薄膜材料可以通过控制充气量的多少来调节遮光度和透光性，有效地利用自然光，节约能源，起到保温隔热的作用。

本次参赛的桥模作品命名为“腾飞”，其实体图形如图2所示。桥模作品是采用双片主、副拱结构的斜拉钢桥，从空间上看，双片主、副拱线型流畅、气宇轩昂，极具动感，由远及近，视觉上如飘带般绚丽夺目，又似蛟龙般跨江跃海，极富力度之美，寓意一种团结与奋进的力量。

桥模的主拱设计三跨，承担主要荷载；副拱五跨，穿插于主拱之间，分担主拱产生的内力；为增强结构的整体刚度和抵抗外部荷载的能力，在主、副拱之间布置了横向和竖向刚性链杆。

该结构的荷载传递路径为：桥面荷载→斜拉杆→主、副拱→桥墩和桥台。双片主拱在桥墩或桥台处交汇，使得桥墩处的水平推力相互抵消，桥台处水平推力得以减少，在整体结构上，主、副拱共同受力的形式要优于单纯的斜拉桥结构。

本次参赛的加载模型作品如图3所示。模型净跨950 mm、

宽度90 mm、高度290 mm、重140.2 g，主要材料为轻质桐木，节点连接采用WD1001高性能结构AB胶，在现场制作完成，共耗费三个多小时。该模型的整体形状为等腰三角形，底面设置两根拉杆，两侧边设计为上小下大的变截面空间桁架，桁架由三根通长的弦杆和若干短腹杆构成。为提高模型的承载性能，空间桁架的短腹杆设计成四棱锥状，这样布置不仅减少了弦杆中的受力，而且四角锥较好的对称性使得结构整体不易变形。

模型的加载过程为：初始加载盘重150 N，第一级、第二级、第三级加载量均为153 N，当第四级荷载153 N加上时，模型持荷54 s后，底端右侧的支座节点破坏，使得整个结构失效。因此，该加载模型的最终承载重量为609 N，载重比为434.38。

4 参赛作品的力学分析

本次学科竞赛的参赛作品都是在不断地进行受力分析基础上完成的。在比赛准备阶段，指导教师花费大量的时间与学生一起构思方案，利用有限元软件反复对方案进行受力分析，然后根据数值模拟结果不断修改和完善模型以达到最佳效果。图4～图6是用midas软件对最后参赛作品的數值分析结果。

由图4可知，建筑展示作品在均布竖向荷载作用下，下部主体拱结构及树状支撑部分基本都处于受压状态，其中最大压应力出现在拱结构的内侧上部，最大值是128.7 Mpa；

挑檐部分出现受拉区，最大的拉应力达到34.1 MPa，但拉、压应力都小于钢材的允许强度，因此，该大跨度拱结构是可以安全承载的。图中树状支撑部分的压应力基本相同，而主体拱中的压应力差异较大，因此在制作模型时，树状支撑采用等截面构件，而主体拱则采用变截面结构，这样可以充分利用材料，达到节约、经济的目的。

图5为桥梁模型的数值分析结果。由图可知，在竖向和横向荷载作用下，主拱为受压构件，最大压应力出现在拱底支座处，数值为211.5 MPa，副拱的受力情况较主拱复杂，其中间部分受压而左、右侧受拉，最大拉应力达到30.8 MPa，结构的最大拉、压应力都小于钢材的允许强度，因此是安全的。主、副拱之间的竖向刚性链杆以受压为主，但主拱中间部分出现受拉杆。因此，对于本桥模这种主、副拱交叉的复杂结构，必须采用有限元软件分析，使制作者明确结构体系的受力情况，进行合理选材。

本次参赛的加载模型为现场制作的三角形桁架，加载点位于顶点。根据图6所示，当模型加载到第四级，模型总承载量为762 N时；结构中三角形顶点处的压应力最大，为13.6 MPa；模型底端拉杆的拉应力最大，为6 MPa，它们的值远小于桐木的抗拉强度和抗压强度（根据文献[1]，桐木的抗拉强度为50 MPa，抗压强度为20 MPa）。因此，在此荷载作用下，结构构件本身是不会破坏的。比赛中出现节点连接破坏，文献[2-3]中也强调木桁架的连接部位是结构的薄弱环节。因此，在以后的加载模型制作中，除了必须重视结构设计外，节点的连接也不能疏忽，采用铰接和黏结相结合的方式更合适。

5 竞赛成效

本次比赛，通过师生的共同努力和精心准备，金陵科技学院获得一个一等奖、两个二等奖的优异成绩，更可喜的是通过参赛，教师和学生都有所收获，受益匪浅。

对于学生而言，本次学科竞赛培养了他们的创新性思维和主动学习的热情，加强了他们的团队意识和组织协调能力。在比赛准备过程中，学生首先认真研究以前的获奖作品，在发现问题、分析问题的基础上不断推陈出新，独辟蹊径，拓展思路，创新能力得到较大提高。由于学科竞赛以专业知识为依托，完成从理论到实践的转化，因此，学生除了需要掌握扎实的理论基础外，还要自学一些前沿知识。在本次比赛创作过程中，大家充分发挥学习的主动性，经常与力学、建筑学、地下空间工程等专业的学生一起探讨，共同寻找解决问题的方法。另外，作品对知识的潜在要求以及完成作品的“使命感”也迫使学生不得不相互合作、相互配合，积极利用一切资源，为作品的完成创造有利条件，这对参赛学生的团队意识和组织协调能力的培养起到重要的促进作用[4]。

对于教师而言，学科竞赛是提升自身能力的重要途径，指导学科竞赛的经历有助于提高教师对本专业课程体系的理解和对所授课程的准确把握。因为指导教师是学科竞赛的引领者，只有对专业知识做到综合理解与运用，才能与学生一起完成具有实际工程意义的赛题。同时，学科竞赛为教师提供了一个与兄弟学校同行相互学习的机会，找到了解本学科发展需求和趋势的新视角[5]；指导学科竞赛的过程本身也是一个教学研究过程，对教师反思已有的教学过程、增强教学能力很有帮助。

6 结语

江苏省土木工程专业大学生结构创新竞赛是培养大学生综合素质和创新精神的重要平台，对提高江苏省土木工程专业学生的实践能力作用巨大。金陵科技学院师生通过参加2016年的竞赛，开阔了视野，培养了专业热情，激发了学习兴趣；在学校健全的学科竞赛运行机制和明确的竞赛保障经费支持下，比赛获得优异成绩。以后将以更积极的态度去参与各类学科竞赛，师生共同努力，为全面培养创新型人才打下坚实的基础。

参考文献

[1]孙训方，方晓淑，关来泰.材料力学（Ⅰ，Ⅱ）[M].北京：

高等教育出版社，2002年.

[2]许晓梁，马人乐，何敏娟.轻型木桁架静力试验及承载能力分析[J].特种结构，2006，23（1）：1-4.

[3]黄浩，何敏娟.轻型木桁架应用及设计[J].建筑技术，

2009，40（9）：815-818.

[4]邱文伟.大学生创新创业能力的培养和提升：基于学科竞赛的功能效应[J].当代经济，2015（1）：107-109.

[5]汪峰，刘鸿琳，刘章军.以学科竞赛促进桥梁工程课程教学改革探索[J].高等建筑教育，2016，25（2）：78-81.endprint