“新工科”背景下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)＊

馬法榮，李東，吳敏龍，賴治強(qiáng)，李宗娟，魏婷婷

（河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅張掖 734000）

近年來(lái)，隨著新一輪國(guó)家科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究戰(zhàn)略計(jì)劃課題的正式實(shí)施，中國(guó)理工科高等學(xué)校在人才培養(yǎng)層次方面上的具體要求也要隨之進(jìn)行改變，由原來(lái)簡(jiǎn)單的培養(yǎng)只要求本科生可以較好扎實(shí)地全面掌握有關(guān)本專業(yè)方向技術(shù)的科學(xué)基本和理論基礎(chǔ)知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒈究粕囵B(yǎng)成高級(jí)應(yīng)用型科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新拔尖人才，把應(yīng)用型創(chuàng)新高層次人才隊(duì)伍的重點(diǎn)培養(yǎng)放到了一個(gè)很重要位置[1]。同時(shí)由于國(guó)家戰(zhàn)略和當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)高層次土木工程專業(yè)復(fù)合型人才隊(duì)伍的總體需求也逐步做出了一個(gè)相應(yīng)時(shí)期的優(yōu)化調(diào)整，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的辦學(xué)實(shí)踐探索，土木類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目前已開(kāi)始過(guò)渡進(jìn)入到真正以重點(diǎn)培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新人才為辦學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的培養(yǎng)階段[2]。

復(fù)合應(yīng)用型技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)[3-5]要求應(yīng)基本具備系統(tǒng)、完整、全面的工程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系框架和相對(duì)良好的工程技術(shù)綜合素質(zhì)。完整的課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系一般由扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和前沿科技的專業(yè)新技術(shù)構(gòu)成，二者結(jié)合是正確培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新思維素質(zhì)的主要前提條件；良好全面的個(gè)人綜合道德素質(zhì)主要包括有報(bào)效國(guó)家的家國(guó)情懷、服務(wù)奉獻(xiàn)社會(huì)的道德思想、團(tuán)結(jié)進(jìn)取合作創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)精神以及堅(jiān)守工作崗位的健康體魄，這是提高學(xué)生持續(xù)具備技術(shù)創(chuàng)新素質(zhì)能力素養(yǎng)的重要保障。雖然當(dāng)前常規(guī)的模塊化教學(xué)體系已能夠保證學(xué)生進(jìn)行理論內(nèi)容和專業(yè)技術(shù)層面上的學(xué)習(xí)，但如何在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新思維、提高學(xué)生自身的動(dòng)手創(chuàng)新以及應(yīng)用能力，仍是中國(guó)當(dāng)前應(yīng)用型高校培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才所面臨的挑戰(zhàn)[6]。

因此，高校本科生教育體系應(yīng)進(jìn)一步將如何優(yōu)化培養(yǎng)大學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)體系和青年大學(xué)生創(chuàng)新綜合應(yīng)用素質(zhì)提升作為未來(lái)培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合和應(yīng)用型高素質(zhì)創(chuàng)新拔尖人才體系的重要抓手，加大學(xué)生在創(chuàng)新能力方面的培養(yǎng)力度。故本文以甘肅省第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為學(xué)科背景，訓(xùn)練河西學(xué)院土木工程學(xué)院學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力、操作能力和創(chuàng)新思維。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽會(huì)使學(xué)生們?cè)谕瓿稍O(shè)計(jì)模型的同時(shí)，提高他們的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力，鍛煉他們團(tuán)隊(duì)合作和吃苦耐勞的精神。而這一特點(diǎn)與新時(shí)代培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求非常契合。

1 設(shè)計(jì)說(shuō)明

1.1 方案構(gòu)思

以甘肅省第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽題目為參考，題目要求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在滿足尺寸要求的同時(shí)也滿足結(jié)構(gòu)三級(jí)加載的要求，其中第一、二級(jí)加載為靜力加載，對(duì)應(yīng)模擬測(cè)試橋梁在不對(duì)稱荷載作用下的靜承載能力，主要測(cè)試結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗壓與抗拉承載能力。三級(jí)加載為動(dòng)荷載加載，在靜載基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁動(dòng)載測(cè)試，測(cè)試結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。此外還要求結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性能，避免主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞和撓度超出允許范圍。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

對(duì)于本次的設(shè)計(jì)，經(jīng)查閱多方資料后，分別考慮提出斜拉橋、梁式橋、拱橋和桁架橋4 種橋型作為初步設(shè)計(jì)方案。

斜拉橋作為大跨度跨海橋梁來(lái)講，對(duì)構(gòu)件剛度要求高，用集成竹皮強(qiáng)度恐無(wú)法達(dá)到，并且制作復(fù)雜，難度大，因此不做考慮。梁式橋有較好承載彎矩的能力，也可以很好地控制使用中的變形，但橋梁的穩(wěn)定性問(wèn)題突出，無(wú)法有效控制橋梁的扭轉(zhuǎn)變形和偏心作用，因此梁式橋也不做考慮。拱橋最大主應(yīng)力沿拱橋曲面作用，沿拱橋垂直方向最小主應(yīng)力為0，可以很好地控制橋梁豎直方向的位移，但其自重較大，在豎向荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生水平推力，所用桿件材料用料多、自重大，結(jié)構(gòu)不能協(xié)調(diào)受力，且設(shè)計(jì)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，因此拱橋也不做考慮。桁架橋具有比較好的剛度，腹桿既可承拉亦可承壓，同時(shí)也可以較好地控制位移，造型美觀，跨越能力較大，相比之下，最終方案選定為桁架橋模型，如圖1 所示。

圖1 桁架橋模型圖

在確定最終的結(jié)構(gòu)方案之前，做了多次嘗試，每一次都是在前一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)其受力性能和破壞模式進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以使最終的結(jié)構(gòu)最優(yōu)。在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需注意到以下5 點(diǎn)：①根據(jù)賽題規(guī)則，模型需要滿足規(guī)定的承載能力和位移要求；并且模型受力性能的優(yōu)劣是以單位承載力的高低進(jìn)行區(qū)分的，故應(yīng)盡可能減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高材料利用率。②模型所承受的第一級(jí)和第二級(jí)荷載是非對(duì)稱分布的靜荷載，第三級(jí)荷載為動(dòng)荷載，這就對(duì)結(jié)構(gòu)的空間受力性能提出了更高的要求，尤其是在變化的水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)能力。③由于模型加載是在指定的8 個(gè)點(diǎn)上施加集中力，因此加載點(diǎn)局部桿件的受力較大，要防止因局部桿件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承載力。④模型與承臺(tái)板之間采用自攻螺釘連接，是否能夠牢固連接而更接近理想的固結(jié)支座對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能影響很大。⑤模型結(jié)構(gòu)中必然存在眾多桿件需要在一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造對(duì)于桿件能否充分發(fā)揮承載能力至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的制作，避免節(jié)點(diǎn)的破壞先于桿件的破壞。

1.3 結(jié)構(gòu)特色

結(jié)構(gòu)多選用鋼桁架結(jié)構(gòu)，各兩端弦桿件及其內(nèi)部縱向受力分配關(guān)系等均都可以看作是單向且以徑向拉、壓彎受力方向?yàn)橹?，通過(guò)同時(shí)考慮到上下桁架兩端的弦桿件和腹桿構(gòu)件等的合理的對(duì)稱組合布置，可做到同時(shí)適應(yīng)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜部分的垂直剪切彎矩特性要求和內(nèi)部橫向剪力分布。由于支座水平方向上產(chǎn)生的拉、壓內(nèi)力均只實(shí)現(xiàn)了到支座自身的受力平衡，整個(gè)支座受力平衡結(jié)構(gòu)都不對(duì)支座本身產(chǎn)生水平推力，其受力合理，形式美觀。

節(jié)點(diǎn)間的特殊加固。根據(jù)Midas Gen 軟件有限元分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)受力情況要求的加固節(jié)點(diǎn)可以采用完全不同類型的加固處理方式，契合了“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)新理念。

桿件的局部加強(qiáng)。根據(jù)美國(guó)Midas Gen 軟件的分析，桁架結(jié)構(gòu)中不同截面部位的受力負(fù)荷情況均不同。因此，在保證盡可能多節(jié)省構(gòu)件材料量的前提下僅對(duì)模型局部變形做一些加強(qiáng)性處理，增加了桁架結(jié)構(gòu)受力的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性系數(shù)和工程可靠性，實(shí)現(xiàn)了“輕質(zhì)高強(qiáng)”的設(shè)計(jì)理念。

2 結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 位移計(jì)算

利用Midas Gen 有限元計(jì)算軟件在軟件環(huán)境中建立模型，模擬竹結(jié)構(gòu)模型在加載時(shí)受力的受力狀況，在Midas Gen 有限元建模結(jié)果分析報(bào)告中，對(duì)模型主要的參數(shù)進(jìn)行了定義，彈性模量為6.0×103MPa，密度為8 g/cm3，密度泊松比為0.3；在實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力模型分析試驗(yàn)時(shí)需要按實(shí)際空間結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，結(jié)構(gòu)模型分析中考慮大部分橋梁桿件受力都存在著彎矩、剪力比和軸力，為了試驗(yàn)計(jì)算更方便，建議統(tǒng)一采用梁?jiǎn)卧M試驗(yàn)；但是由于在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行連接施工主要還是靠膠水來(lái)進(jìn)行粘連，按剛接法計(jì)算受力較為合理。

第一級(jí)加載在橋面上共設(shè)置8 個(gè)加載點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的加載裝置圖如圖2 所示，加載點(diǎn)上豎向荷載加載工況如表1 所示，對(duì)應(yīng)的內(nèi)力計(jì)算圖如圖3（a）所示。

表1 荷載工況表 單位：kg

圖2 加載裝置平面圖

圖3 加載結(jié)果圖

第二級(jí)荷載是在原有第一級(jí)荷載的荷載基礎(chǔ)上又分為前后2 個(gè)主要步驟分別進(jìn)行的加載，具體步驟如下：①保持C加載截面內(nèi)的2 個(gè)加載點(diǎn)C1、C2保持靜負(fù)載位置不變，從其最左側(cè)的加載點(diǎn)取A1，將在該加載點(diǎn)內(nèi)的所有砝碼均轉(zhuǎn)移至其另一側(cè)的2 個(gè)A2加載截面點(diǎn)上。②將第一步移入荷載點(diǎn)上的所有砝碼，全部都轉(zhuǎn)移至第一個(gè)與該加載點(diǎn)坐標(biāo)相同位置的B 型軸對(duì)稱點(diǎn)上。為了減小計(jì)算工作量，以扭矩最為嚴(yán)重的加載模式A 為代表，分析其變形情況，如圖3（b）所示。

由圖3（a）可知，一級(jí)加載工況下結(jié)構(gòu)的豎向最大位移出現(xiàn)在距支座40 cm 處，位移為0.3 mm；由圖3（b）可知，二級(jí)加載工況下結(jié)構(gòu)的豎向最大位移出現(xiàn)在距支座30 cm 處，位移為0.5 mm。

綜上所述，結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下，都能夠承受賽題規(guī)定的豎向荷載，且在第一、第二級(jí)荷載作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大豎向位移都小于限值，滿足位移要求。理論分析表明，此種結(jié)構(gòu)方案較為合理，但實(shí)際結(jié)構(gòu)模型能否達(dá)到理論計(jì)算值，還取決于在制作過(guò)程中的精細(xì)程度和對(duì)桿件節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造處理能否與理論計(jì)算假定相一致。

2.1.2 模型位移測(cè)試

根據(jù)Midas Gen 軟件的分析結(jié)果，得到桁架橋位移為0.50 mm，如圖4（a）所示。結(jié)構(gòu)在豎向荷載和移動(dòng)荷載的作用下，雖然發(fā)生了變形，但是整體性較好，位移相對(duì)較小，不影響其整體的穩(wěn)定性。在實(shí)際模型加載過(guò)程中模型產(chǎn)生了變形，并沒(méi)有發(fā)生斷裂且撓度較小，如圖4（b）和圖4（c）所示，激光位移計(jì)記錄的數(shù)據(jù)為0.63 mm，如圖4（d）所示，基本與Midas Gen 軟件加載結(jié)果相近，即理論方案的結(jié)果與實(shí)際模型結(jié)果基本一致。

圖4 位移圖

2.2 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

2.2.1 支座節(jié)點(diǎn)

支座內(nèi)部主要用于承受豎向平面系統(tǒng)內(nèi)的豎向集中荷載，支座的內(nèi)支承桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以比較有效地解決減小截面以上荷載問(wèn)題，從而使整個(gè)支座系統(tǒng)有了較強(qiáng)的側(cè)向抗壓彎能力。因此，在支座和內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)桿件節(jié)點(diǎn)間銜接的部分節(jié)點(diǎn)部位也應(yīng)同時(shí)滿足支座相應(yīng)位置的橫向受力強(qiáng)度要求，采用了502 膠水直接將它們緊密粘結(jié)，考慮其接觸部位面積要求較小，在其局部橫向受力強(qiáng)度較大要求的節(jié)點(diǎn)部位采用竹粉膠和膠水共同作用加強(qiáng)并用竹皮進(jìn)行纏繞，盡量能使各個(gè)建筑構(gòu)件之間形成一個(gè)有機(jī)的整體，如圖5（a）所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化圖

2.2.2 梁加載處

由于施加荷載較大，作為主梁的桿件容易被尼龍繩切割而造成主梁破壞，因此，在加載點(diǎn)處用豎桿與2個(gè)斜桿進(jìn)行支撐；同時(shí)用厚0.2 mm 的集成竹皮包裹易破壞部位，使主梁在承受相應(yīng)荷載的基礎(chǔ)上質(zhì)量達(dá)到最小，竹制材料便可以滿足其要求，如圖5（b）所示。

2.2.3 多節(jié)點(diǎn)之間的連接處

桿件末端節(jié)點(diǎn)需要提前確定節(jié)點(diǎn)切割的角度，這樣做才可以進(jìn)一步地增大各桿件間節(jié)點(diǎn)的有效接觸點(diǎn)面積，使整個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)更加緊密與牢固、穩(wěn)定可靠。利用502 膠水廢料先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)，再利用竹條廢料進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的卡位，防止在靠近節(jié)點(diǎn)部位的相鄰節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大的位移；然后采用竹粉廢料填充節(jié)點(diǎn)空隙并以502 膠水廢料進(jìn)行粘結(jié)固定節(jié)點(diǎn)的加固方式來(lái)加固節(jié)點(diǎn)，如圖6 所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)加固圖

3 結(jié)束語(yǔ)

模型的理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)總是與現(xiàn)實(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)有一定的差距，但是誤差都在可控范圍內(nèi)，理論模擬結(jié)果可信度較高。通過(guò)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技能競(jìng)賽，可以切實(shí)提升高校大學(xué)生科研創(chuàng)新應(yīng)用能力，通過(guò)參與解讀參賽題、初步儀器選型、力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算、動(dòng)手項(xiàng)目制作、查閱有關(guān)文獻(xiàn)書(shū)籍等一系列過(guò)程，既能切實(shí)培養(yǎng)青年學(xué)生良好的實(shí)踐創(chuàng)新能力意識(shí)、動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，還能培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)能力和自主合作精神。一個(gè)結(jié)構(gòu)模型完成，理論設(shè)計(jì)是必要條件，精準(zhǔn)制作是充分條件，二者是相輔相成的。

模型制作也是一種技能，它需要熟能生巧，反復(fù)進(jìn)行練習(xí)，不斷在失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高制作精準(zhǔn)度和制作速度。在制作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣不同的問(wèn)題，需要不斷地遇到問(wèn)題、解決問(wèn)題，并在其中不斷地提升自己的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力。本文讓學(xué)生們真實(shí)地感受到什么是理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。此外在制作模型的過(guò)程中感受到了無(wú)限樂(lè)趣，這種積極的作用也可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。