结构大赛与理论实践的结合.docx

土木工程技术工作室 结构大赛与理论实践的结合 班级： 姓名： 学号； 指导教师 摘要：本文以学生视角谈大学生结构设计竞赛对培养大学生专业素质实践能力创新精神和团队协作意识的作用，并提出了一些对竞赛赛制和组织的思考。大学生结构设计竞赛是大学生结构设计竞赛是教育部批准的 9 个全国大学生科技创新赛事之一。 其宗旨是培养大学生的创新意识 , 合作精神,提高大学生的创新设计能力,动手实践能力和综合素质 ,并加强高校间的交流与合作。关键词：结构大赛整体竞赛流程；准备过程；实际操作第一节：理论准备 作为一项极具启发性、创造性和挑战性的科技竞赛，大学生结构设计竞赛既考验参赛者的结构设计知识，又锻炼大家的动手实践能力，并在竞赛过程中，考验参赛大学生的综合素质。 一个优秀的竞赛作品，必然是参赛者准确把握命题要求、正确运用理论知识、精确进行模型制作的结晶。1.1审题细致准确、有的放矢 由于受比赛时间、材料等条件限制，大学生结构设计竞赛往往突出“结构概念设计”的要求。参赛选手一般只需在符合题目要求的前提下，从满足结构承载能力的角度进行构思和设计即可。 要做到“符合题目要求”，就需要我们充分了解要求，准确把握比赛规则。只有“审”好了题，才能做到有的放矢，更好地指导模型设计与制作。 首先，在结构设计之前，参赛者应认真阅读比赛章程。 比赛章程是对比赛相关事宜的详细阐述。我们除了要准确了解参赛对象、比赛进程等规定外，更应该对命题要求、理论设计、加载方式、破坏指标、评分标准等核心内容做细致分析。以桥梁结构模型设计为例，通过阅读比赛章程，我们至少需提炼以下五点信息：模型尺寸 在比赛章程中，一般会给出模型尺寸的限值。当未直接给出限值时，可通过加载条件间接加以确定。如对于桥梁长度而言，过短不利于加载平台的有效支承，过长则增加结构自重；对于高度而言，过小不利于结构竖向刚度的保证，过高则影响加载试验，也增加了结构的自重；对于宽度，一般受车道条件和加载方式的限制。因此，模型的尺寸应保持在一定范围内，通过理论分析和模型试验取得各方面的平衡。支承形式 支承形式对结构设计的影响很大，直接关系到模型的结构形式和理论分析。为此，我们需要关注“加载平台是否提供有效的水平约束”。一般的竞赛只提供竖向支承，而水平约束则较弱，甚至不提供。因此，对于悬索和有水平推力结构，往往受该条件限制而无法运用，此时应考虑采取其他方式，如系杆拱等。几何净空 这在实际工程中极为重要，对于模型设计，一般也会限定其净空要求，但往往被很多参赛者忽略。对于承受移动荷载加载的桥梁模型，净空大小直接关系到模型是否能够顺利加载。加载方式包括载荷形式、布载方式、加载流程、最大载荷等。对于静载试验，一般用砝码或者其他代替的重物（沙包、铁块等）进行加载；对于动载试验，一般采用具有一定重量的牵引式可移动小车进行加载。评分标准 一般分为造型设计、理论计算、制作工艺、现场答辩、加载试验等方面。其中加载试验是比重最大的指标，通常占5060分，其他指标则各有侧重。从比赛经验来看，最终影响竞赛成绩也大多是加载试验指标，因此，参赛者务必在加载环节上进行足够仔细的研究。其次在整个模型设计与制作过程当中，参赛者应反复进行规则审读和讨论，对于不太明确的细节则务必在模型制作前向组委会进行询问并获得明确答复，避免因对规则误解而导致无法参赛。1.2选型概念清晰、思维创新 选择正确的结构型式，即“结构选型”，是取得优异成绩的前提。一个好的结构型式，不仅体现了选手清晰明确的力学概念，还可以很好地表达作者的设计构思，也必然体现作者的创新思维。 结构选型一般从命题要求出发，再结合结构专业知识，通过比较、分析、计算、试验等，确定模型的结构型式。为此，参赛者应在设计之前，通过查阅资料，了解、补充和学习相关知识。 对于桥梁结构体系来说，一般分为梁桥、拱桥、悬索桥及组合体系四类。而结构竞赛中经常采用的就是梁桥和拱桥两种。 从全国各高校的比赛情况来看，大多数模型均采用空腹式梁桥桁架桥结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好，而且可以通过变桁高来实现竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化，从而最大程度减轻结构自重。 当然在结构选型时，我们更应该充分结合比赛实际，发散思维，大胆创新，这也是大赛精神的要求。1.3设计循序渐进、逐个击破、因材施用 在准确审读竞赛要求、基本确定结构型式之后，接下来一个核心环节就是结构设计。参赛者主要依据结构设计基本原理，针对加载条件的要求和限制，进行合理的结构布局设计。结构设计是一个循序渐进的过程，它不是一蹴而就的，也不是一成不变的，而是需要在整个竞赛准备过程不断进行优化和改进的。同时，参赛者应结合材料的不同力学性能，做到“因材施教、物尽其用”。 所谓“循序渐进”，一方面要求设计者在命题要求的基础上进行，根据不同的材料性能和受力特性，设计不同的构件截面。如主桁上弦杆主要受压，并承受局部集中荷载，显然不能采用硫酸纸，而必须采用白卡纸杆件，同时由于构件抗弯的需要，可将受弯杆件截面设计成抗弯惯性矩较大的矩形、圆形、T形等形状；对于受拉下弦，则可充分利用硫酸纸或白卡纸的抗拉强度，采用单层或多层叠合纸带，从而减轻下弦自重。 所谓“逐个击破”，即“由果及因、由体及面、由局部及整体”的设计思路。以承受荷载的桁架梁桥模型为例。当荷载作用于跨中时，一般简支梁承受最不利荷载，此时的弯矩图呈倒三角形的形式。显然跨中截面最可能发生破坏，由此我们最直接的结论是“加大跨中截面的竖向抗弯刚度”。 为了能最大程度地减轻结构自重，初步设计时我们应着重考虑的问题是“如何使结构的竖向抗弯能力与其最不利弯矩相适应？”从这个角度出发，再结合结构抗弯刚度的概念，即可以设计出沿桥长变高度的各种桥梁形式。对于动荷载试验的模型，除了类似于静载模型的抵抗弯矩图概念外，我们着重关心的问题是“如何实现动载小车平稳顺利地通过桥面？”，进而思考围绕这一问题的一系列具体问题，如主梁与车轮的位置关系、桥面系的设计、桥面的铺设、桁架桥主桁与桥面系的关系、拱桥拱肋与桥面系的连接等等。此外，就是杆件设计问题。一方面我们应根据不同的受力特点，确定不同杆件的截面形式与连接设计，从而尽可能降低自重；另一方面，又要考虑到模型制作的可操作性、材料性能的不确定性等。1.4计算正确简化、指导实践 初步设计之后，就要开始对模型进行理论分析与计算。实际制作的模型在材料性能、支座条件、节点力学性质等方面具有局限性，因此，我们需要对计算模型进行了下列简化和假定，如采用空间梁单元模拟桁架结构、荷载简化、不考虑桥面板参与受力等。 应该承认，简化和假定会必然会带来计算误差。但从理论指导实践这个角度上说，这种简化计算又是合理的，误差也是可以接受的。 理论计算一般又分为手算和电算两个方面。手算一般根据力学基本原理进行简单的受力分析，如荷载简化、拉压杆件概念分析等；电算则是运用计算机软件进行结构详细分析，推荐使用SAP2000及MIDAS结构分析软件。 需要强调的是，理论计算必须在模型制作之前就要进行。这是因为，只有经过了计算，才能明确结构各部分的受力性能，进而采用不同的杆件截面及杆件连接方式。如哪些腹杆是受拉杆件？哪些杆件受力最大？哪些节点最危险等。在制作时对这些基本概念了然在胸，可以极大地提高模型制作效率。 以上是对于结构竞赛几个理论环节的要点概述，在完成上述步骤之后，理论工作基本结束，接下来就进入十分关键的实践环节。第2节 模型制作 俗话说“成也萧何，败也萧何。”一个优秀的结构模型，如果没有精细的制作工艺，不管理论设计再怎么完善也将无法付诸实践。这也是大学生结构设计竞赛区别于一般竞赛的地方。 模型制作水平在很大程度上依赖于参赛者的手工技巧。虽然并不是每个参赛者都有精巧的手工，但正所谓“熟能生巧”，只要多进行尝试，不断总结经验，就能不断提高制作水平。2.1材料性能结构大赛的模型制作的材料是白卡纸、白乳胶和细线。这限制了我们制作的方法和思路，但是也是我们的优势之一，因为我们去年曾经制作过类似的结构，所用的材料是一样的。下里面我介绍一下我们所用的材料。2.1.1白卡纸1) 质量：一般采用230克巴西白卡纸，即每张A0幅面的纸重230克。2) 硬度：有些纸偏硬，不易于卷杆；有些纸偏柔，强度较差，特别是吸潮之后，其强度急剧下降。3) 纹路：仔细观察白卡纸会发现，每张白卡纸有顺纹和逆纹的差别。 一般来说，沿长边方向是顺纹，沿短边方向是逆纹。二者对于模型制作是有影响的。一般说来，沿顺纹剪裁要方便得多，同时，若使杆件的长度方向顺纹，则在卷杆时较为顺手，且杆件质量容易保证。4) 粗糙度：白卡纸分光滑面与粗糙面。显然粗糙面摩擦系数大，粘结效果较好；光滑面美观性较好，且不易弄脏，即使有污点也可以用拧干的湿布轻轻擦拭干净。一般卷杆时，光面朝外。5) 强度： 白卡纸强度是一个很复杂的问题，一般不易直接测量，而是做成杆件进行试验。6) 吸湿性：白卡纸极易受潮，空气湿度大时其强度明显降低，且受荷后变形不稳定，类似于混凝土的“徐变”现象；但若空气过于干燥，则杆件很容易因局部小瑕疵而发生突然破坏(尤其是对于节点处)，类似于实际工程中的脆性破坏。7) 分层：单层白卡纸是由三层不同的纸经过胶合形成的。有时候可以充分利用这个特点进行适当的剥离，从而减轻自重。2.1.2白乳胶 白乳胶是结构设竞赛中最为常见的水溶性粘接剂，无毒无害。使用时主要注意的问题是乳胶的浓度：若太稀，则含水分较多，凝固时间长，粘接效果也受影响；若太稠，则粘结不牢，对自重的影响也较大。 对于纸质模型，一般采用较稀薄的乳胶，尤其是卷杆使用的乳胶应尽量稀薄，这样既可以保证涂抹的均匀性，又能减轻结构自重。根据实际需要，可将适量原装乳胶倒入一个干净的纸杯（取矿泉水瓶底部分最佳），然后倒入适量的纯净水，一般以乳胶能呈细线状均匀、迅速流下为宜，搅拌均匀后即可使用，务必随配随用，不可放置太久，使用完毕后应将纸杯及时清洗干净，以便下次调配。2.1.3蜡线（铅发丝线）蜡线作为纯抗拉材料，一般用于受拉杆件的辅助设计，索结构也较为常见，亦可用于节点绑扎。但蜡线弹性一般较窄条状纸带大，故对于有变形要求的结构来说，用蜡线直接作为受拉构件的效果并没有纸带好。2.2工具配备结构模型制作中常用的工具主要有：2.2.1制图工具1) 丁字尺、三角板、圆规在进行纸张剪裁之前，需使用制图工具进行构件尺寸的量取和绘制，以确保剪裁的顺利进行。2) 画图板制图时使用，此外在刻划、制杆、拼装时，画图板一般可用作加工平台，但应确保其不被刀刃损伤。3) 铅笔、橡皮、旧圆珠笔芯白卡纸上的各种界线、数字、符号等，均用铅笔进行标记，以保证作品的整洁；旧圆珠笔芯用于刻划各构件的折痕。2.2.2剪裁工具1) 美工刀用于裁剪白卡纸、加工木材等，建议选用刀片较宽厚的型号，以保证在刻划时刀片不发生扭转。一般新买的美工刀第一段刀片有一缺口，使用时易损伤手指，故建议将其折断。一般美工刀的刀片上有划线，当刀锋钝化时可将该段刀片至于刀柄后的刻槽中折断，出现新的刀锋，以便继续使用。2) 剪刀一般选用刀口较小的美工剪，用于剪断蜡线、剪割尺寸较小的纸片等，而对于卷杆使用的白卡纸底料，建议采用美工刀沿尺子边缘刻划，以保证纸片边缘尽量光洁平直。2.2.3制杆工具1) 杆芯制作封闭截面纸杆的工具，一般根据所设计结构的各种截面尺寸配备相应截面的杆芯。圆杆较为常用的有6、8、10三种，建议使用铅质或铝质实心杆件，一般长度为1m左右（建材市场有零售）；矩形杆件常用的有55、58、610等，一般为木材，但很难保证平直，有条件的可购买装潢使用的龙骨或线条然后用电刨加工至适当尺寸。2) 刷子涂抹白乳胶时使用，一般应配备两种大小的刷子，使用后应及时置于清水中浸泡。3) 电吹风用于迅速凝固白乳胶，保证杆件及节点很快达到一定的强度。使用时务必保证构件均匀受热。第3节 要点提示3.1关于模型选型 模型选型是一个较为复杂的过程，参赛者需要根据命题要求，结合结构设计知识，进行多方位、多层次的思考与讨论。在选型环节，参赛者需要注意以下几个问题：1) 明确荷载传递路径 这个概念在结构设计竞赛中十分重要，各位可参看有关书籍。据我们的理解：所谓荷载传递路径，是指结构所受外力荷载，从作用点开始依次经过结构各部分的相互作用，最后传递到支座的整条传递路线。荷载在结构内部以弯矩、剪力、轴力的形式传递，各种内力在传递时引起的变形类型也是不同的。 结构设计的目标，归根结底是将结构所承受的荷载以最合理的变形类型、最清晰的传递路线、最短的传递时间传递到支座上。这就要求，荷载传递路线必须是连续的、不可间断。尤其是在进行桁架结构设计时，借助荷载路径分析可以有效帮助我们找到合理的结构型式。2) 加强结构型式对比 结构设计竞赛倡导的是“百花齐放、百家争鸣”，满足命题要求的结构型式应该是且必然是多样性的。即使对于规定结构型式的比赛命题来说，符合该种结构类型的实际模型也可以是多种多样的。参赛者应在选型时，加强对各种符合要求的结构型式的对比分析，找出各种型式在命题限定要求下的优劣性能，从而寻求最合理的结构型式。3) 寻求优化与创新 在基本确定结构型式之后，就需要依据各种功能目标及约束条件进行模型的优化。结构优化设计是理论分析与模型试验相辅相成的过程。一方面，我们需经过理论计算与分析，探求合理的受力型式，优化荷载传递路径，并对该型式进行加载试验；另一方面，通过加载试验，我们可以发现模型的薄弱部位及破坏形式，并将其得到改进或加强，以形成较为优化的结构型式。3.2关于杆件截面选择 截面选择也是一个十分重要的问题。在自重约束的条件下，参赛者需要根据设计计算结果，探究各种截面的性能优劣。一般需综合考虑以下方面：1) 受力性能 如压弯杆件，考虑抗弯刚度的大小，宜采用箱形截面；受压杆件，考虑受压稳定性，而不宜采用细长杆件等。2) 自重影响如对于抗弯模量相同的截面来说，圆形截面和矩形截面杆件哪种更轻一些？在强度及稳定性足够保证的前提下