黄祖慰大学生结构设计竞赛指导讲义

1、29第二讲 大学生结构设计竞赛介绍讲授人：黄祖慰一、全国赛概况第一届：高层建筑结构模型 第一届全国赛赛题赛点为制作一座一米高的房屋结构模型，在模型底部装铁砂以模拟基础效果。模型加载方式为单侧水平静力荷载与动恒载。右图为西南交通大学代表队作品，整个结构以桁架构造布置。由于这次比赛加载单向性的问题，结构模型构造上也应该采取单向刚度大的设计。下面展示获得一等奖的作品：浙江大学作品：东南大学作品：特点为桁架+蒙皮结构上海交大作品：其在设计上完全按照赛题加载规则，设计时没有按照具体楼房的设计来设计，而是只考虑加载方向上的刚度。反面教材：结构竞赛不等于结构造型竞赛，把握赛题要点是硬道理，过多添加不必要的构

2、造或者装饰只会使结构重量增加。第二届：两跨双车道桥梁 第二届国赛赛点是两跨双车道桥梁结构模型设计、制作和移动荷载作用的加载试验，与多次举办的校内赛赛题相似。下图为加载装置示意图。下面介绍第二届国赛的优秀作品：浙江师范大学（第一名）269g：由其结构构造可将其想象为一单索面上承式悬索与空间桁架的组合结构，其横梁纵梁均采用三角截面箱型梁，符合其桥面系的受力机理斜杆采用卷制的空心圆管节点的处理非常独到。上海交通大学（第二名）279g：模型充分利用了纸张的抗拉能力，采用蒙皮作用防止主梁竖向构件受压失稳，另外再通过横向联结系保证两片主梁稳定。反面教材：华侨大学（242g） ：桥梁模型结构轻盈，但是细节处

3、理不当，横向联结系失效导致桥梁失稳破坏。某某大学作品：对赛题恒载理解不充分，设计上过于保守。其在设计上也存在缺陷，对力学概念理解模糊，模型重量大。不关注细节，桥梁结构上刚度，但是桥面布置不合理，导致模型加载失败。第三届：定向木结构风力发电塔 第三届国赛的赛点是制作一个支架与风力发电叶片，在风荷载下达到模型的保证模型不损坏的同时尽量增大发电功率。 下面为模型与加载装置的示意图：下面介绍优秀作品：西南交通大学（第一名）支架普通，没有经过仔细优化，模型重量大。但是叶片巨大，受风面积大，产生的电量大，由此提高了整体成绩。第三届作品：湖南大学（第二名） 为了防止叶片在承受风力时变形撞击到结构本身，其结构

4、采用前倾模式。另外，考虑到鼓风机出风风力场的特征，叶片从内向外不断增大的模型成绩较好。浙江大学（第三名）：支架结构形式简单，叶片从内向外不断增大第四届：体育场看台上部悬挑屋盖结构 第四届国赛的赛点是制作一个能够安装在预制看台上的挑棚结构。结构模型需要承受竖向静力荷载与风荷载的考验。下面介绍获奖优秀作品：哈尔滨工业大学（特等奖）：充分利用主办方优势，合理利用赛题规则，造型具备一定的美观性，做工精细。东南大学（一等奖）：桁架结构有效抗弯高度高，纸张面积小，构件全部采用薄壁箱型截面构件。模型重量轻，刚度大。厦门理工大学（一等奖）：巧妙利用构造进行卸风上海交通大学（一等奖）：结构简洁，受力机理明确，主

5、要构件采用箱型截面构造，做工精致：西南交通大学（三等奖）：结构过为笨重，刚度小。对桁架结构没有提起相当重视。第五届：带屋顶水箱的竹质多层房屋结构 第五届国赛赛点在于制作一个四层结构模型，在承受竖向静力荷载的前提下承受什邡八角波震动。竖向荷载最大为34kg。下面介绍优秀作品：西南交通大学（特等奖）：以78.6g的模型自重承受住了满载，其特点为结构轻巧，采用了变截面三角形柱，刚柔转换层，一体化的加载铁块，高效的节点柱脚处理。上海交通大学（一等奖）：其构造上特点为利用一定数量的拉条对较为柔的框架进行稳定处理，避免模型在加载时失稳破坏。武汉大学（一等奖）：一二层无“圈梁”，由两交叉梁代替。华侨大学（一

6、等奖）：采用桁架结构，结构模型刚度较大，以刚克刚。北京交通大学（一等奖）：采用吊篮作为阻尼器进行抗震，模型截面小，结构重量小。由于吊篮可动范围较小，减震效果不太明显，吊篮与结构模型撞击，容易引起结构破坏。第六届：吊脚楼 第六届国赛赛点为在斜坡上制作一结构模型在承受竖向荷载的同时承受水平冲击荷载。模型的关键点在与保证第二层的面刚度，使其承受冲击荷载时能够把加速度响应充分传到传感器上。二、我的结构竞赛经历校内赛的报名已经开始了，但这次我并没有参加，赛事似乎也和我没有任何关系，但我还是会习惯性的去仔细地阅读赛题，认真地分析材料特性，甚至已经得出了具体的、多样化的设计方案和制作方法。没有了你，我真的感

7、觉不习惯了！Devotion，是我对你的最佳表白。也许很少有人会理解这种情感，但我却不同，那是我的梦想，我曾为之投入并奋斗了整整三个春秋，那更是我挥洒青春活力的舞台！图2 本图为大二上学期设计的跨越结构，有效抗弯高度过小导致承载能力不足。图1 本图为大一下学期设计制作的斜拉桥，加载时由于以受压为主导的桥面失稳，模型在远离斜拉塔的梁端发生压弯破坏。大一上学期的时候，我在一张巨型的宣传海报上面邂逅了深深地把我吸引住的你。从那个时刻开始，满怀憧憬的我就把参加国赛的目标深深地刻在心里。然而，为理想迈出的第一步并不轻松，也不顺利。我选择了受力较为复杂的斜拉桥。由于在设计上考虑欠缺，桥梁模型在比赛中发生局

8、部失稳并导致加载失败。让我在第一次的尝试中获得了一个满带遗憾的优秀奖。感谢这个遗憾，让我明白了“失败乃成功之母”这句老话。赛后，我并没有颓废，而是认真地分析了失败的原因。由于当时我还没有开始学习专业的力学知识，对力学概念的认识还维持在高中物理的水平，失败原因也只能是半理性半感性分析。但就是因为这一次的不离不弃，我慢慢地培养起一种对结构感性加理性的批判精神。在后来的学习生活中，我每当看到喜欢的各种结构建筑，便会着手去分析，并不仅仅是分析结构的闪光点，而更着重于摸索该结构的弱点。与此同时，为了提高我的专业素养，我几乎把网上Discovery和伟大工程里面的相关工程案例看完了。随着时间的累积，我就学

9、到了很多课外知识并积累了大量经验，在模型的设计过程中，就少走了很多弯路。大二上学期，我参加了一个由西南交大力学协会举办的结构设计竞赛，在结构的设计中，我开始注重于结构美观。对于结构本身，设计的初衷是把跨越结构设计为一个拱。但是由于对赛题的误读，我将模型的截面高度设计得很小，由于矢跨比过小，跨越结构并没能实现拱作用，而主要受弯。由于其有效抗弯截面过小，未能拼过那些“高高的梁”，又十分遗憾地拿了一个2等奖。不过，进步了就行！按照模型的高跨比来看，我这次做的是一个大跨度结构，虽败犹荣。 大二下学期一开始，我便把眼光瞄向了校内赛，并且在离赛事的开始图3 本图为大二下学期设计制造的两跨连续梁桥，桥梁的承

10、载能力大，可是由于天气原因影响材料变形导致整体结构的变形，导致桥面不平整，未能参加加载。还有很长的一段时间的时候就把设计方案想好了，算是胸有成竹了，毕竟这是对前一年失败经验不断反思的结果。在桥梁承重组的设计中，我首次使用了桁架外加预应力措施，通过预应力把两个单跨转变成连续梁，这对于我这个没有学过预应力的同学，又是一次挑战。可惜呀，没有把握好天时地利，本来模型还是好好的，到了比赛那天，空气湿度增加，导致这个可怜的木质结构发生变形，木头膨胀了，而“预应力筋”却长度没变，整体看来就像是预应力张拉过度，上拱度超出了桥面平整的要求，在加载前就被评委老师宣告直接淘汰，我苦苦哀求评委老师给我一次加载的机会，

11、可是后面突然有个工作人员说时间紧，不允许加载当时的我欲哭无泪，无限悲伤。后来回头想想，当时那个自暴自弃的我，实在太可爱了。而现在看来这个教训对我来说太珍贵了，我从中总结了不少经验：设计一个结构，不能单从结构体系的荷载受力情况来设计，还要考虑温度湿度的影响，不仅要保证结构的安全性也要保证结构的适用性和耐久性。话说回来，当时初赛失败的时候，队友们也十分懊恼，毕竟辛辛苦苦做了那么久的模型，没有加载就被判死刑了。不过还好，我们还有一个杀手锏，那就是造型组的桥梁模型。说到这里，我就有点小兴奋了，先用几句话简单地介绍一下这个“尤物”。那座桥名字叫做“桥夺天弓”，它是一座组合结构桥梁，其结构在设计图4 本图

12、为大二下学期设计和制作的三跨造型人行桥，此桥在比赛中表现良好，成功地完成加载。上包括了拱、悬索、斜拉、斜塔、预应力措施、箱型构造、桁架，可谓是在当时我把我对桥梁的理解全部表达在它上面。果然不负所望，给我带了第一个一等奖和最佳工艺奖。它给我带来最大的意义是开启了我的“箱型”时代。那一届比赛的时候我也有件丑事，就是我用一个破烂不堪高层模型换回了50块押金，现在想起来觉得太丢人了。图 6 本图为大三上学期参加交大力学协会举办的结构设计竞赛制作的蒙皮+桁架结构。通过合理地布置空间桁架杆件，结构的承载能力有很好的提高。图5 本图为大三上学期参加第四届全国大学生结构设计竞赛准备过程中与参赛作品。失败主要在

13、于结构体系没有竞争力，设计太保守。大二下学期的暑假到大三上学期，我借助我在校内赛中获得的一等奖，报名了国赛的选拔。终于可以近距离的接触到我的梦想。从一开始，我就非常认真，做每一个模型都煞费苦心。由于态度认真，我设计制作出来的模型成绩总是领先，以致造成了一种奇怪的现象：在校内选拔赛中，我总是能用最恶劣的结构体系战胜桁架。可惜到了国赛现场才发现，大多数参赛队伍做的都是桁架。由此，我在大学中最大的失意悲剧性的三等奖就来了。总结了一下失败的教训，我当时太过固执，太过于坚持自己的作品，一路上虚荣心太重。真的非常对不起我当时的队友“代老板”和“民哥”了，在这里深表歉意。要做好结构，先学做人这个理念从此就铭

14、刻在心中，从此，我变得虚心，不断对自己的缺点进行批判，同时学习别人的优点。这点，对我后面的发展起到了非常巨大的作用。在第一次参加国赛回来之后，我紧接着报名参加了力学学会举办的结构竞赛，这次，我算是把国赛中总结的失败经验教训全部用上了，可以说是利用我之前非常厌恶的现在却深爱着的桁架结构以至少30分的分差完胜了所有参赛队伍。再次得了一个一等奖，我却不再骄傲，深知人外有人，山外有山，若想登峰绝顶，就得虚心好学，骄傲只会降低人的智慧。大三下学期，我在大学中最忙的时间段到了。和大多数同学一样，我在为自己在本科毕业后的人生轨迹进行最后的规划：究竟是留在国内学习，还是出国深造，还是工作我开始成为一个大忙人，

15、整天忙着8门专业课的学习和准备GRE考试，当然，还有准备结构设计竞赛，另外还有各种土木科技月的琐事，在那几个月里我每天的睡眠时间都不足5个小时。虽然苦，但却是一段值得回忆的时光。本来说，结构设计竞赛不是学习的重点，应该量力而行，我还是义无返顾地把它放在了第一位。不负我所望，在广告牌支架的比赛里我创造了一个让大家记忆深刻的模型，重量仅26.6克。感谢这次比赛的成功，让我坚定了我要走的路继续完成我的国赛梦想。图 7 大三下学期参加校内赛制作的广告牌支架模型，通过对结构受力模式的特点及大胆的设计，模型的自重非常小，但是丝毫不影响结构效能。图 8 本图为第五届大学生结构设计竞赛作品设计图、模型加载示意

16、图与结构模型图。78.6克的结构模型承受住了34kg的静荷载并且在什邡八角波（即汶川地震）的震动下安然无恙。 又是一个暑假，又是一次国赛选拔赛。虽然在当时，经过了几年的努力，我成为一个设计制作结构模型方面的“高手”，但是在选拔赛中我变得沉着稳定，时刻保持清醒的头脑，把自己的位置永远放到最低，因为我深知，只有把自己位置放低，才能学到更多，才能让自己进步得越快。总结了上次国赛的模型重量大的失败经验，这次走的是轻型化战线，到最后发现，这个决定是正确的。在整个过程中，为了告别上次国赛封闭式做模型的心理限制，我对我的竞争对手们毫不吝啬，和他们共同探讨模型的缺陷与不足，一起不断地改善结构模型，很自然的，我

17、们的成绩的不断地高。在这里，我要感谢其他两个给力的竞争对手，不是我们的共同进步，是换不来国赛辉煌的战绩。国赛作品主要有四个关键制胜关键点：一、成功地运用了刚柔转换构造；二、创造性地使用了质量超高的截面形状为三角形的连续变截面柱；三、总结了上次国赛所用的悬挑虚梁；四、模型整体截面小。这四个关键点，都为模型的重量减轻和可靠性提高做出了重大贡献。说完了这些大现象，我又要回到我的私人空间，为了准备这次国赛，我几乎奉献了我的所有时间，为了不影响室友休息，我搬到校外。细细数来，我一共做了23个模型，很多事情都成了家常便饭：经常性熬夜；手上经常性有一层厚厚的502胶，掰也掰不掉；手也不知道被小刀割破了多少次，甚至有一次为了不影响模型的制作，我直接把伤口捏紧，滴了一滴502止血。图9 本图为本人制作模型的工作空间，经过无数次简化设计，结构模型在构造上变得很简单，上图展示了制造国赛模型的4根柱子20片梁与24根拉条所需的所有材料。此外，本人还把第四届国赛三等奖的牌子立在桌子上激励自己。在一个最疯狂的星期，我连续做了4个模型，其中有一天深夜，可能由于太累精神不能集中，有一组杆件系粘接了8次都没有粘接成功，大学里面没有掉过一滴泪的我哭了，直接把它踩碎了。说到这里，我得感谢一下老虎，我的好哥们，由于也住在外面，在我最困难的时候总能鼓励（哎哟，写到这儿我都想掉眼泪了，得缓一