大跨度空间网壳竹质结构模型设计与制作*

2021-01-22封焱杰王大光刘晓立

科技创新与应用 2021年6期

付旭，封焱杰，王大光，王江，刘晓立，李茜

（1.北华航天工业学院建筑工程学院，河北廊坊065000；2.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京102600）

1 概述

空间结构形式丰富多彩，具有很大的发展创新潜力。空间结构具有卓越的三维受力承载能力，其合理的曲面形体也可以起到很好抵抗外荷载的作用，明显优于平面结构。目前，我国的大跨度空间结构应用实例越来越多，结构形式也趋于多样化，所采用的的理论和建造技术也得到了快速发展，表明我国已达到了较高的建筑水平。但是，在建筑构思与结构创造的有机结合方面与国际先进水平之间还存在一定的差距[1-2]。

第十二届全国大学生结构设计竞赛正是以大跨度空间结构为背景，通过方案设计、分析计算、模型制作、加载试验和现场答辩等一系列过程，来培养大学生的创新精神、团队意识和实践能力[3-4]，对我国的空间结构创新人才培养提供了一个很好的契机。本文从赛题基本要求出发，对大跨度空间网壳竹质结构模型的设计和制作过程进行分析与总结，基于Midas有限元软件对该结构模型的承载能力和变形能力进行研究，为今后大跨度空间网壳结构设计提供了一种新的思路。

2 赛题分析与结构选型

2.1 赛题基本要求

竞赛赛题是对在恒荷载与可变荷载共同作用上的大跨度空间结构（内径要求大于375mm，外径要求小于550mm）进行设计与制作，既要满足结构刚度和变形要求（模型最大挠度不得超过12mm，否则认为模型失效），又要尽可能使模型的承重与自重的比值足够大，能够通过尺寸检测和加载试验。其中，尺寸检测主要包括几何外观尺寸检测（模型不与检测装置发生接触）和加载点检测（8条自然上垂的尼龙绳不与半径为15mm的圆孔接触）；加载实验要求模型固定于承台板上并置于加载装置上进行实验，加载装置三维示意图与尺寸检测装置如图1和图2所示。

本届赛题较新颖，并具有充分的想象空间，各个团队可根据自己的思路来选择模型结构，可以对材料（仅限于组委会所提供的木材、胶水、剪刀等）进行任意组合加工。竞赛所用竹材规格、用量及力学指标如表1所示。

图1 加载装置三维示意图

图2 几何尺寸检测装置

模型在16小时内必须制作完成，所施加荷载共分为三级，其中一级荷载为恒荷载，各组队伍均相同；二级偏心荷载需要通过抽签的方式产生，并且加载的重量由队员自己决定，最小4kg、最大6kg；三级水平荷载施加于加载点1，也属于可变荷载最小4kg、最大8kg，可自由选择。

2.2 材料分析

竹材具有相当好的力学性能，韧性与弹性优良，顺纹抗拉强度比较高，因此模型的不同构件应该充分利用好竹材的特性，发挥竹材的优势对模型进行优化设计。

由表1可知，竹材的顺纹抗拉强度很高，适用于抗拉构件。竹皮相对于竹条来说质量更轻，故可以多采用竹皮作为制作材料，以减少模型的总体质量，增大模型的承重与自重比值。

2.3 结构分析与选型

不同的结构适用于不同的荷载，在对结构有充分的了解后才可选择正确的结构形式。例如，（1）拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件，主要承受均布荷载的作用，本次大赛为集中荷载，因此并不适用拱结构[5]。（2）桁架结构:桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，在大跨度结构中可节省材料以减小自重，整体稳定性也很高。（3）网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，以杆件为基础，杆件连接组成网格，按壳体结构布置的空间构架，结构主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。从手工制作难易程度上来看，桁架结构显得更为精密，手工操作难度最大，网壳结构相比来说制作简单，且具有以上优点:（1）网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性；（2）网壳结构造型优美，既能表现静态美，又能通过网格、支撑与杆件的变化表现动态美；（3）网壳结构应用范围广，适用于各种不规则的建筑平面；（4）网壳结构计算方便[6-7]。

表1 竹材规格、用量及力学指标表

基于以上分析，本团队最终采用网壳结构作为竞赛模型的基本形式。

由于竞赛用的网壳结构模型既需要满足动荷载与静荷载条件上的重量轻、承重大的原则，又要满足规定的外观尺寸要求，因此每一层杆件的倾角需要通过分析、计算和测试来确定。杆件截面形式可选择圆形、矩形、三角形、T型、工字型等，由于杆件需要有一定的惯性矩，以抵抗杆件的弯曲，并要保证模型的稳定性，还要尽可能增大其承载能力。经过多次实验和实际加载测试，考虑手工制作的难易程度，选择了T型和矩形截面，截面形状与尺寸如图3和表2所示。

图3 杆件截面形状示意图

表2 杆件截面尺寸

3 模型制作

模型制作是最关键的一步，这一步不仅是空间模型的实际体现，也同时考查了学生的手工制作能力。模型制作过程共分为以上四个阶段。

3.1 第一阶段:竹材的截取与粘连

在保证强度大和质量轻的前提上，选择了T型截面，根据计算得出每一根杆件的长度和角度。对于截取所需要的杆件，因为材料的数量有一定的限制，截取时万不可以误截，应按之前所设定的截面形式用胶水粘在一起，粘连时也要有一定的精度，防止出现较大的误差。

3.2 第二阶段:杆件的连接

该阶段是最耗费时间和最重要的一步，此阶段包括Y型杆件的连接和网壳结构中每一层杆件的连接。Y型杆件的连接需要先做V型杆件，再与其他杆件相连，层与层之间杆件的连接相对来说操作简单，可以通过附加2×2mm的竹条来加固模型。为了减小误差，应该控制好杆件与水平的夹角。结构的大体模型已经显现出来，如图4所示。

图4 结构实体与BIM三维模型

3.3 碎部安装

主体部分完成后，需要添加横撑和斜撑对结构进行加固，以增强结构的整体稳定性。本团队采用迈达斯软件对结构的每个部件的受力情况进行了模拟分析，最终采用的截面形式为B型截面（图3所示:Tw为3mm）。最底部的杆件最容易发生扭曲现象，因此用竹皮做斜撑，既保证了模型的整体稳定性，也减轻了模型的自重。

3.4 节点处理

模型的制作好比实际工程中的施工，如果构件出现了节点连接不牢靠现象，那么计算假定与结构构件的实际工作状态就不相符合，很可能会导致整个结构设计的失败[8]。

网壳结构节点处的杆件较多，如果用竹皮包裹节点，不仅浪费胶水，而且不好粘连，外观也很粗糙，操作也过于复杂。经过多轮讨论后，最终采用了在节点处撒竹沫（通过锉刀磨制而成）的方式处理节点。经过多次加载试验证明了该方法的可靠性，分析后认为主要是竹沫能够吸附胶水产生化学反应进而增强了节点强度。同时，这样处理的模型外观显得很完美，经过打磨后节点更具美感。

模型制作的整个过程考验了学生的细心与耐心、动手实践能力以及团队协作。不仅模型的设计理念非常重要，小的细节也不可忽略。

4 有限元模拟分析

模型的设计与制作优化离不开软件的模拟验算，本文采用Midas Civil软件对模型的设计进行了模拟与验算，具体实施路径如图5所示。

图5 有限元模拟分析实施路径

4.1 节点单元的建立

Midas Civil软件提供了多种模型建立方式，对于简单的模型可直接利用软件中的基本结构，包括壳、塔架、桁架等，在其基础上进行优化调整，建立自己的模型；对于节点较多、结构复杂的模型，可以通过节点移动复制的方法来建模。

4.2 材料特性

由于所设定的加载点位于节点处，故选择桁架单元而不是梁单元，单元类型的设定对于后期的结果分析有很大的影响。通过软件输入竹材的数据并且选择单元的截面形式来赋予材料特性，由于截面形式过多，可一一赋予材料特性。

4.3 边界条件

在加载试验中，模型用螺钉固定于加载台上，软件根据模型的实际情况对模型的边界进行约束作用，限制节点的移动，通常采用一般支撑，为了模拟方便，在有限元模型的边界条件中去掉螺栓，这样的计算结果能够保证模型具有足够大的承受载荷的能力。

4.4 施加荷载

Midas Civil软件中有多种荷载形式，也可以进行荷载的组合，可以根据赛题的要求和模型的实际情况编辑荷载工况，施加于模型上。赛题要求是三种不同的荷载工况:一级荷载为恒荷载；二级荷载为可变荷载，参赛队员可以通过软件来确定二级荷载的大小；三级荷载为水平荷载，承重大小可以自由选择。三级荷载形式同时作用上的模型的变形符合赛题的要求，即试验成功。