结构模型设计制作与分析

王晨飞

摘要：大学生结构设计大赛可以提高大学生的创新能力和工程实践能力，增强大学生团队合作能力。本文以中南地区第四届大学生结构设计的赛题“刚性桥墩单跨桥梁结构”为例。从赛题简介、结构选型与优化、结构模型数值模拟等过程进行简述。

关键词：结构模型；设计制作；结构优化

创新实践能力是高素质人才的重要标志，大学生创新实践能力的培养已成为高等学校教育与教学改革的重点和核心[1-2]。大学生结构设计竞赛作为大学生创新训练的重要形式，在培养学生创新设计能力、综合科技能力和工程实践能力等方面发挥着重要作用[3]。为加强中南地区各高校间的交流与合作，2014年在华南农业大学大学举行“中辰杯”中南地区第四届大学生结构设计竞赛。

1. 赛题简介

赛题背景为水平和竖向荷载作用下的刚性桥墩单跨桥梁结构，桥梁模型应包括桥梁、桥面及桥墩支座等桥梁必要部分，桥面不要求满铺。要求桥面宽度在150mm-200mm范围内，桥面长度不小于桥墩的净跨度。桥面在跨度中央（加载点处）的结构宽度应不大于200mm，结构总高度不超过600mm。桥底以下应保证有指定的通航空间。桥梁净跨度（指长轴两桥墩内侧之间的最小距离）不小于800mm，中部主航道500mm范围内未加载前通航净空不小于150mm，要求该范围内不得有任何结构或构件阻碍船舶通航，模型结构如图1所示。

桥梁模型加载模拟两车道车辆荷载不利布置、水平刹车力和横向风力组合作用的工况，结构在满载时同时受到50kg的竖向荷载、沿桥面长度方向8kg的水平荷载以及垂直与桥面长度方向3kg的水平荷载，在三向力的作用下，模型结构应具有足够的整体稳定性，但同时也要防止结构中杆件发生强度破坏或失稳破坏。

2. 结构选型与优化

考虑模型要承受竖向及两个方向的水平荷载，初步方案利用竹皮优越的抗拉性能，将竹皮制作成拉条，有效的将桥面杆件承受的部分竖向荷载通过拉条传递给立柱，两端的拉条则有效分担了结构受到的沿桥长方向的水平荷载，斜撑也分担了部分竖向荷载，但在满载的情况下，相应的结构总重量过大。最终方案（图2所示）从解决桥面纵向杆件发生屈曲破坏入手，尝试830mm的纵向水平杆分成三段，该结构中立柱高度被大大降低了，且经过多次试验后发现，优化后结构受力合理，整体稳定性较好，满载时结构的总质量也得到了有效的降低。

3. 结构受力模拟

在假定基础上，运用结构分析软件ANSYS建立计算模型，采用混合建模的方法，柱、撑杆采用BEAM188梁单元，拉条采用LINK180杆单元，计算模型如图3所示。对桥梁结构的位移和拉、压应力进行分析（如图4-图6所示），计算结果表明，模型的最大位移为31.1mm，最大拉应力为42.8MPa，最大压应力为18.0MPa，最大位移小于规定的最大允许位移40mm，最大应力小于竹材的抗拉强度60MPa。在极限荷载作用下，下缘拉条会拉断，主梁则会在最大压应力作用下，局部失稳而失去承载能力，最大位移发生在跨中，最大拉应力发生在下缘拉条，最大压应力发生在上部的主梁，与实验观察的现象基本一致。

结语

本次大赛以竹桥为例，针对桥梁模型加载模拟两车道车辆荷载不利布置、水平刹车力和横向风力组合作用的工况展开设计，要求学生熟悉刚性桥墩单跨桥梁的结构特点，掌握复杂静力荷载组合作用下桥梁结构的受力分析，对参赛选手提出了更高的要求。随着土木工程专业的本科生教学水平的不断提高，对实践环节要求越来越高，结构设计大赛能全面考察学生知识综合应用能力和动手实践及创新能力。

参考文献：

[1]周济.创新是高水平大学建设的灵魂[J].中国高等教育，2006，（3）：9-13.

[2]毛洪贲，殷德顺，郭娟，周爱花.大学生创新实践能力培养探索与实践[J].中国林业教育，2010，28（3）：13-16.

[3]周臻，童小东，尹凌峰，陆金钰，缪志伟.依托结构竞赛构建开放式创新研学平台[J].高等建筑教育，，2011，20（6）：129-133.