結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中渡槽支承系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與制作

馬肖彤　金建輝　戚海冕　韓威

【摘 要】文章根據(jù)寧夏自治區(qū)第二屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的競(jìng)賽細(xì)則，結(jié)合對(duì)材料的性能分析，通過賽題分析、方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)選型、分析計(jì)算四個(gè)方面，介紹了渡槽支承系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型制作方法。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；渡槽支承；模型設(shè)計(jì)

0 引言

為深入推進(jìn)土木工程人才培養(yǎng)模式改革，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)大學(xué)生工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，促進(jìn)寧夏回族自治區(qū)高校大學(xué)生相互學(xué)習(xí)和交流。在2017年7月中旬如期舉辦了“2017年第二屆寧夏回族自治區(qū)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”。競(jìng)賽由寧夏教育廳主辦，寧夏大學(xué)承辦。競(jìng)賽題目依據(jù)國(guó)賽題目為“渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作”，要求設(shè)計(jì)自重在一定范圍內(nèi)且有較大承載能力及輸水效率的渡槽支承系統(tǒng)模型[1-3]。

1 賽題回顧及分析

競(jìng)賽組委會(huì)統(tǒng)一提供6種規(guī)格的本色復(fù)壓竹材、502膠水、美工刀等材料，制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行輸水加載試驗(yàn)， 模型結(jié)構(gòu)形式不限，支承個(gè)數(shù)不限， 所有桿件、節(jié)點(diǎn)及連接部件均采用給定材料與膠水手工制作完成；輸水管可捆綁、吊掛或擱置在模型上，只允許使用給定材料連接，不得直接使用膠水粘結(jié)輸水管；模型與承臺(tái)板之間采用自攻螺釘連接； 模型制作時(shí)間累計(jì)為 18 小時(shí)。

支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型用于支承輸水管， 可以自行選定輸水路線，但應(yīng)經(jīng)過指定的兩個(gè)灌溉點(diǎn) A、B，即輸水管在承臺(tái)板上的正投影應(yīng)覆蓋 A、B二點(diǎn)。

本次競(jìng)賽的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：1）計(jì)算書及設(shè)計(jì)說明 10 分；2） 結(jié)構(gòu)選型及制作質(zhì)量 10 分；3） 現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn) 5 分；4） 模型加載 35 分；5）模型卸載 15 分；6） 輸水效率 25 分。

其中，模型加載分為F4=×35，？琢=，當(dāng)？琢>1時(shí)取1。Mmin為所有加載、卸載成功且S≤10kg的所有模型最小自重；S為輸水損失，S=W0-W2；M為模型自重，M=M1+M2，當(dāng)F4大于35時(shí)取35；模型卸載F5=×15，如果S>10kg，模型卸載為0分；輸水效率：F6=（1-0.1S）×25，如果S>10kg，輸水效率為0分。

通過對(duì)賽題的研究可知，本次競(jìng)賽設(shè)計(jì)模型需要考慮加卸載承重以及排水效率等問題，其中由于加載卸載的50分主要由結(jié)構(gòu)重量決定，因此，模型成功的關(guān)鍵就在于如何在滿足承重的前提下盡可能的減輕重量。為所有加載、卸載成功且S≤10kg的所有模型最小自重；

2 方案構(gòu)思

模型主要承受500N水流活荷載和一定的水平?jīng)_擊荷載，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗剪能力。

（1）由于此次競(jìng)賽，結(jié)構(gòu)形式不限，所以要在充分利用材料性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，考慮到輸水效率的問題，以及輸水管在承臺(tái)板上的正投影必須覆蓋A、B兩點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)支承結(jié)構(gòu)為橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)合剛架支撐結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)計(jì)的總原則是：安全、經(jīng)濟(jì)、美觀，模型荷重比能夠體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率，所以盡量要減輕結(jié)構(gòu)重量，因此結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，桿件數(shù)要盡量少盡量輕。

（3）由于所提供的材料抗壓性能弱，抗拉性能較強(qiáng)，在保證質(zhì)量要求量輕巧的前提下，豎直荷載較難滿足，水平動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求較高，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定性。因此，如何合理地利用材料設(shè)計(jì)出滿足要求的結(jié)構(gòu)形式和截面形式非常重要。

3 結(jié)構(gòu)選型

3.1 材料截面選擇

三角形為一種受力均勻、非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元，便于竹條性能的發(fā)揮，因此材料截面選擇三角形為基礎(chǔ)，將三角形拼接為菱形作為主截面。主體承重柱子截面為2根10mm×10mm×10mm×5mm三角形和15mm×15mm雙層三角形的桿件粘接而成，保證抗壓的同時(shí)減輕材料的質(zhì)量，主要的承重構(gòu)件基本都是以這種截面為主，截面示意圖如圖1所示。

圖1 截面圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)賽題的研究分析，為了滿足受力要求以及輸水效率問題，渡槽支承系統(tǒng)設(shè)計(jì)為橋梁結(jié)構(gòu)加空間剛架體系，節(jié)點(diǎn)間有斜撐連接。橋梁結(jié)構(gòu)見圖2所示，選用這種橋型考慮到了支座就不需要做的特別牢固，該橋的主要承重構(gòu)件就是兩根大的斜撐，將兩根橫梁分成三跨，可以減小橫梁的壓力，支座部位我們擔(dān)心向兩邊倒，即出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，我們?cè)谝郧皹蛄旱幕A(chǔ)上加了兩根拉條。因?yàn)橹駰l的抗拉強(qiáng)度特別高，為了增強(qiáng)穩(wěn)定性在兩根柱子之間加了兩道斜撐增強(qiáng)了穩(wěn)定性。在節(jié)點(diǎn)部位為了模仿剛節(jié)點(diǎn)，用最薄的竹片進(jìn)行包裹這樣可以很大程度上增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)間的強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是受力簡(jiǎn)單明了，穩(wěn)定性好，承受荷載大。

剛架最初設(shè)計(jì)為平面剛架，但是考慮到這種形式平面外穩(wěn)定性差，容易傾覆，并且對(duì)支座的強(qiáng)度要求較大，增加了支座的制作難度，因此改進(jìn)為空間剛架結(jié)構(gòu)，這樣既可以提高穩(wěn)定性，也可以忽略支座的作用，另外，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性增加了兩道斜撐。

3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)相交的節(jié)點(diǎn)由于桿件的傾斜在施加動(dòng)載和靜載時(shí)會(huì)引起較大的剪力，在連接時(shí)用比較薄的竹片將節(jié)點(diǎn)部位進(jìn)行綁扎，從而在結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)一些節(jié)點(diǎn)模擬成剛接節(jié)點(diǎn)。

斜撐相交時(shí)，將斜撐直接搭接，并用小竹片的輔以膠水粘接，避免直接穿插的榫接節(jié)點(diǎn)破壞材料的局部力學(xué)特性。

4 受力分析及計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)建模

對(duì)于該渡槽支承系統(tǒng)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)分別按照橋梁和空間剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。該結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，手算過于復(fù)雜且難以得到精確的結(jié)果，所以采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析[4]。本結(jié)構(gòu)的制作材料為竹材，節(jié)點(diǎn)處用膠水進(jìn)行粘接，其作用介于剛接與鉸接之間，剛接作用較強(qiáng)，所以計(jì)算時(shí)采用剛接較為合理。分析時(shí)取最不利進(jìn)行。

建立的有限元模型如圖4所示：

（a）橋梁結(jié)構(gòu) （b）剛架結(jié)構(gòu)

4.2 計(jì)算及分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50009-2012）5.6條：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動(dòng)力計(jì)算，在有充分依據(jù)時(shí)，可將重物或設(shè)備的自重乘以動(dòng)力系數(shù)后，按靜力設(shè)計(jì)計(jì)算。動(dòng)力系數(shù)即為在承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，當(dāng)按靜力設(shè)計(jì)時(shí)采用的系數(shù)，其值為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的最大動(dòng)力效應(yīng)與相應(yīng)的靜力效應(yīng)的比值。所以在計(jì)算模型時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用靜力計(jì)算方法，將水流荷載乘以1.2的動(dòng)力放大系數(shù)轉(zhuǎn)換為靜力荷載進(jìn)行分析。

（1）橋梁結(jié)構(gòu)

通過計(jì)算可得橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及變形圖5，由圖所示，在整個(gè)受力過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件竹材拉應(yīng)力最大為21Mpa，壓應(yīng)力最大為19.65Mpa，均未超過抗拉強(qiáng)度60MPa 和抗壓強(qiáng)度30MPa的材料極限值，滿足結(jié)構(gòu)承載能力要求。在水管及水流荷載作用下，縱橫梁為彎曲變形，柱為軸向變形加彎曲變形，結(jié)構(gòu)最大變形量為8mm左右，通過查閱文獻(xiàn)可知，該類結(jié)構(gòu)在變形約 15mm、以內(nèi)時(shí)基本為彈性變形，除去結(jié)構(gòu)初始連接變形外，其余變形均可恢復(fù)。因此，結(jié)構(gòu)變形滿足要求。

（2）剛架結(jié)構(gòu)

通過計(jì)算可得剛架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及變形圖6，由圖可見，在整個(gè)受力過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件竹材料拉應(yīng)力最大為16.19Mpa，壓應(yīng)力最大為 4.98Mpa，均未超過抗拉強(qiáng)度60MPa 和抗壓強(qiáng)度30MPa的材料極限值，滿足結(jié)構(gòu)承載能力要求。水管及水流荷載作用下，縱橫梁為彎曲變形，柱為軸向變形加彎曲變形，結(jié)構(gòu)最大變形量為0.79mm左右，結(jié)構(gòu)變形滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選型，根據(jù)設(shè)計(jì)條件和使用要求確定結(jié)構(gòu)形式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步分析。本模型就是首先根據(jù)賽題要求確定了渡槽支承系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)形式，然后用有限元軟件進(jìn)行分析和論證，最后通過實(shí)際制作來不斷改進(jìn)。

此外，在模型的制作過程中精細(xì)的加工十分重要，保證模型截面、節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位符合設(shè)計(jì)及有限元建模的要求，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為接近，這樣才能制作出好的結(jié)構(gòu)模型。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧惠民，李迅，徐曉紅，等.合作學(xué)習(xí)教學(xué)模式在學(xué)科競(jìng)賽中的應(yīng)用研究[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2013，36（3）：80-82.

[2]張炎圣，陸新征.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中的計(jì)算機(jī)仿真分析[J].力學(xué)與實(shí)踐， 2009，31（4）：110-112 .

[3]舒小娟，黃柱，周旭光.紙拱橋結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化建模分析-大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽談[J].力學(xué)與實(shí)踐，2012（4） ：89-92.

[4]武江傳.ANSYS 在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].連云港化工高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)， 2002，15（3）：29-31.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint