基于大跨度竹结构试验的结构分析软件探讨

黄振宇，杨佳幸，段 炼

(重庆大学土木工程学院，重庆 400030)

1 概述

全国大学生结构设计竞赛是教育部确定的全国九大大学生学科竞赛之一。随着土木工程专业的本科生教学水平的不断提高，对实践环节要求也越来越高，通过对结构设计竞赛的模型制作过程的注意事项和常见问题进行分析和介绍，有利于参赛学生在有限时间内运用所学知识，发挥创新能力，设计并制作出优秀的结构设计竞赛模型[1]。

第十四届全国大学生结构设计竞赛就是基于大跨度空间结构的竹材结构制作而命制的。相比于往届赛题，本届赛题增加了待定数据的创新模式，因此需要参赛学生在短时间内依据相应数据进行结构的调整设计，更加挑战学生的应变能力、创新能力。因此熟练掌握结构分析软件，快速进行结构选型就显得愈加重要。

2 赛题简介

赛题要求在比赛现场设计制作一座桥梁，承受分散作用的竖向集中静荷载以及桥面移动荷载。在确保模型安全的前提下，还需要对模型的变形进行控制。模型轴测示意图见图1。

其中桥梁的净空高度、③轴支座处位置和支座板标高为待定参数，即参赛选手在赛前抽取待定参数。本赛题有二级加载方式：第一级：八个加载点分别悬挂各自的待定荷载。第二级：保持上一级静载作用，移动荷载为50 N的铅球(直径为111 mm)，铅球沿桥岸弧形滑轨加速移动后上桥(落差100 mm)，滚动过桥。当结构在荷载作用下发生结构倒塌时，认定加载失败。

本届赛题较新颖，并且采用待定参数的方式考验选手的创新、应变能力，竞赛所用竹材规格、用量及力学指标如表1所示。

表1 竹材规格、用量及力学指标表

3 模型选型与软件计算

3.1 结构选型

不同的结构适用于不同的荷载，因此充分了解荷载后才能进行正确的结构选型。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，并且对于结构变形挠度要求严格，因此并不适用拱结构[2]。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)张弦梁结构:张弦梁结构由拱、撑杆和拉索杂交而成，三者形成自平衡体系。张弦梁结构通过撑杆减小拱弯矩和挠度的同时，由弦抵消拱端推力，充分发挥拱形结构的受力优势和高强索的抗拉特性，从而实现大跨结构[3]。从制作难度上来看，张弦梁结构较为复杂，并且使用竹材制作难度较大；桁架结构虽较为精密，但结构自重较小，受载后挠度较小，使用竹材较易制作[4]。

基于以上分析，本团队决定采用桁架结构对赛题进行简化分析。

赛题中所施加荷载较大，若使用竹皮制作杆件将会出现杆件强度不足使结构失稳的现象，因此将采用竞赛提供的竹杆件制作杆件，使用竹皮进行局部加强。选择如图2所示的杆件截面。

通过理论分析与初步的结构布置，模型中的杆件由于制造误差，不存在理论中的完全力学分工，将会受到轴力、弯矩和扭矩的作用，其中轴力、弯矩起控制作用。在相同用料情况下，薄壁截面杆件的抗弯性能由强至弱依次是箱形、圆形、三角形，自由扭转性能由强至弱依次是圆形、箱形、三角形[5]。从受力情况、制作难度与材料分配方面考虑，使用箱形、工字形截面作为结构主体骨架，使用矩形截面(竹杆件3 mm×3 mm)制作桁架部分。

为使试验结果更具有普适性，将赛题结构简化为如图3所示的梁式结构，简化支承，两端简支。简化施荷方式，具体施荷方式为：

第一级：1,2两点共四处各加4.2 kg；第二级：1,2两点共四处各加4.2 kg；第三级：3点共两处各加2 kg；第四级：3点共两处各加3 kg；第五级：3点共两处各加2 kg。

3.2 软件计算

使用Dlubal RFEM，SAP2000，Midas Gen三个结构分析软件进行建模、计算，所得跨中挠度结果如表2所示。

表2 软件计算结果 mm

4 结构制作与加载

4.1 结构制作细节

依据结构所需施加荷载，进行结构材料试验，即分别使用竞赛规定使用(如表1所示)的竹皮、竹杆件制作结构杆件进行简支加载。结果显示，竹皮制作各类截面形式的杆件强度均未达到目的强度，故考虑使用竹杆件制作结构杆件，使用竹皮对杆件的薄弱部分进行加强。

依据建模软件上所设计的数据进行结构制作，结构杆件由竹杆件通过胶水连接而成。结构节点处的杆件较多，如果用竹皮包裹节点，不仅粘连效果较差，而且会极大增加结构重量，操作也过于复杂。最终采用在节点处撒竹粉(通过锉刀磨制而成)滴胶的方式处理节点。经过多次加载试验证明了该方法的可靠性，结构整体性更佳。

最终结构成果图如图4所示。

4.2 加载试验

将结构两端置于平台上，模拟简支支承情况。标记出1号、2号、3号加载点位置，在结构桁架腹杆上部绑扎刚性绳(使用变形小的尼龙绳模拟)。荷载施加示意图见图5。

按照设计荷载添加砝码，在每一级荷载施加完毕后，静置10 s，使用激光位移计测量跨中挠度。结果如表3所示。

表3 施荷跨中挠度值 mm

5 结语

本文以大跨度空间桁架竹质结构模型为实例，通过Dlubal RFEM，SAP2000，Midas Gen软件和所学的力学知识进行了模拟验算分析。根据试验结果与软件计算结果可知，Midas Gen对于大跨度竹结构的计算最有参考价值，Dlubal RFEM其次，SAP2000计算结果参考价值相比较低。由于上述三个结构分析软件都为针对钢结构、钢筋混凝土结构、木结构的有限元分析而设计，对于结构竞赛的缩尺竹结构分析必然存在误差，Midas Gen软件操作和原理与其公司旗下另一款产品Midas Civil相似，Midas Civil为专业的桥梁结构分析软件，因此针对本次赛题的大跨结构结果更加准确。了解结构分析软件对小尺寸竹结构的计算精度，有利于结构竞赛参赛者对于自己设计的结构承载能力有更加清晰的认知，从而改进设计，提高竞赛成绩。