渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型性能優(yōu)化及試驗研究分析

廖玉鳳 敬德磊 張澤林 郭小萍 江昕宇

【摘 要】本文基于全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題——“渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作”，進行渡槽結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計方案優(yōu)化。通過有限元軟件Midas/Civil分析及結(jié)構(gòu)模型加載試驗，探討渡槽支承系統(tǒng)中橋梁結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】渡槽支承；結(jié)構(gòu)模型；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TU323 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0107-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.051

1 賽題背景及分析

賽題內(nèi)容為制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型并進行輸水加載試驗。模型結(jié)構(gòu)形式不限，支承個數(shù)不限，所有桿件、節(jié)點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；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，但必須經(jīng)過兩個指定的灌溉點。材料為本色復壓竹材，共提供了6種規(guī)格，給定了竹材的參考力學指標。但是竹材材性變異大，且抗彎強度一般比抗壓強度大[1]，制作的模型中受彎構(gòu)件是普遍存在的。實驗室購買的竹材力學性質(zhì)存在一定的差異，制作模型時選用顏色深、力學性質(zhì)好的竹材，以材料的實際力學性質(zhì)為準。

2 試驗方案和結(jié)構(gòu)選擇

本次試驗選擇橋梁結(jié)構(gòu)和柱相結(jié)合的方案，在無承臺處選擇橋梁結(jié)構(gòu)，在有承臺處選擇柱作為支承結(jié)構(gòu)，輸水管自然放于橋和柱之上。橋跨結(jié)構(gòu)的縱梁選擇張弦梁和桁架的組合形式。張弦梁是一種由下弦柔性拉索與上弦剛性壓彎構(gòu)件通過撐桿連接形成的結(jié)構(gòu)體系，常用于大跨度屋面結(jié)構(gòu)[2]，同時具有承載能力高，荷載作用下變形小的特點。本試驗中連接上弦與下弦的撐桿采用豎桿和斜桿相結(jié)合的方式，豎桿和斜桿在下部相連于一點，上部支撐受彎的縱梁，與縱梁構(gòu)成桁架體系，縱向兩撐桿之間通過撐桿下端橫向桿件連接，保證了兩個方向的穩(wěn)定性。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

通過改變橋梁結(jié)構(gòu)和柱形式，共進行了10次加載試驗，選取其中兩次加、卸載都成功的試驗數(shù)據(jù)如下：模型1、2總質(zhì)量；橋跨結(jié)構(gòu)質(zhì)量及荷重比分別為251g、182g；114g、63g；19.48N/g、2.692N/g。

3.2 橋跨結(jié)構(gòu)受力分析

橋跨結(jié)構(gòu)是整個結(jié)構(gòu)模型中主要承重部分，現(xiàn)重點分析其受力情況。橋跨結(jié)構(gòu)除受自身的重力外，主要承受其上輸水管重力及管中水的沖擊作用，其中水的作用是最主要的作用。本次試驗中的橋跨結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件Midas/Civil做受力分析。結(jié)構(gòu)中各桿件節(jié)點處按剛接處理，上弦壓彎構(gòu)件為梁單元，下弦拉索為索單元。輸水管重量和靜水荷載按分布力考慮，計算時將水流靜荷載乘以 1.2 的動力放大系數(shù)轉(zhuǎn)換為動力荷載進行分析[3]。

3.2.1 模型1受力分析

橋跨結(jié)構(gòu)模型1如圖1所示。模型1的應力云圖如圖2所示，圖中結(jié)果顯示梁和柱的應力都較小，拉、壓應力都未超過5N/mm，撐桿中的最大壓應力為11.9N/mm，最大拉應力為4.5N/mm。下弦的最大拉力為22.3N，最大拉應力為5.6N/mm，應力值較小?？v梁跨中的最大位移僅為1.1mm。

在試驗時橋跨結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，幾乎無變形，軟件計算結(jié)果與試驗較符合。模型1的橋跨結(jié)構(gòu)還未充發(fā)揮

材料的性質(zhì)，有較大的優(yōu)化空間。

3.2.2 模型2受力分析

由模型1觀察到橋跨結(jié)構(gòu)在加載時較穩(wěn)定，變形小。模型2中的橋跨結(jié)構(gòu)以模型1為基礎(chǔ)，減小縱梁和柱的截面尺寸，縱梁僅為提供的1mm×6mm的竹條（實際尺寸為1.7mm×6mm），抗彎能力很小，并去掉部分的豎桿。橋質(zhì)量由115g降為63g。預計橋跨結(jié)構(gòu)會有較大的豎向位移，對縱梁進行預拱。模型2如圖3所示。

模型2的組合應力如圖3所示，隨著各結(jié)構(gòu)桿件的截面面積的減小，模型2相對于模型1的模型，組合應力相應變大。模型2中的縱梁在靠近斜柱的部位出現(xiàn)應力峰值，應力值較大；撐桿中也出現(xiàn)應力較大桿件。下弦的最大拉力為34.0N，最大拉應力為5.7N/mm。在縱梁的抗彎能力變小后，下弦的拉力變大?？v梁的最大豎向位移出現(xiàn)在跨中截面，為4.7mm，相比模型1，縱梁的豎向位移增大較多。

軟件計算結(jié)果顯示，在圖4箭頭所指的結(jié)構(gòu)單元是整個縱梁中受組合應力、剪應力和彎矩都較大單元，是模型受荷時較危險的單元。模型中此位置可能會發(fā)生破壞，考慮結(jié)構(gòu)的安全，應加強處理。

4 結(jié)論

基于上述試驗加載和理論計算分析結(jié)果，得出渡槽支承系統(tǒng)模型性能優(yōu)化的一些心得如下：

（1）試驗中，由于水管路線的改變，橋跨結(jié)構(gòu)是整個模型中承受荷載時間最長的部分，受力情況復雜，尤其是在加、卸載階段，這要求結(jié)構(gòu)在多個方向都有足夠的承載力、穩(wěn)定性及剛度；

（2）為提高總體模型輸水率，橋面可設(shè)置預拱度，設(shè)置預拱度時應考慮到竹材本身的彈性，卸載時橋面會有一定的回彈。此外橋兩側(cè)應設(shè)置適當高差，當預拱度過大或過小時，可減小輸水損失；

（3）由于材料本身的性能差異以及制作工藝誤差，軟件分析無法準確模擬結(jié)構(gòu)實際受力情況，故結(jié)構(gòu)設(shè)計時不能完全依賴軟件，僅起輔助設(shè)計作用。本次試驗中，借助軟件模擬模型受力，有助于加快設(shè)計進度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，指導材料使用，讓實際模型的材料使用更充分合理。

（4）水管能否滿載與模型整體坡降設(shè)置有關(guān)，而坡降又影響柱間距，從而影響支撐數(shù)量及材料用量。坡降起始位置支撐柱高度過高，坡降持續(xù)距離過長，結(jié)構(gòu)將無法滿載，而坡降過小，即水管過于平緩，為滿足輸水率，需減小支撐之間的距離，以降低水管撓度，減小輸水損失，但材料用量增大。故坡降、柱間距、材料用量間存在一個平衡點，可進一步進行深入研究。

【參考文獻】

[1]楊中強，祝頻，黃世能，趙霞，羅建群.8種叢生竹竹材物理力學性能研究[J].廣東建材，2011，27（06）：129-131.

[2]劉強.大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)的靜力性能研究[D].華南理工大學，2012.

[3]馬肖彤，金建輝，戚海冕，韓威.結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中渡槽支承系統(tǒng)模型設(shè)計與制作[J].科技視界，2017（12）：58-59.