第五届湖北省大学生结构设计竞赛实践与探讨

邵文琦　苏骏

摘要：从结构选型、支承体系设计、加载情况等方面回顾了第五届湖北省大学生结构设计大赛，通过制作渡槽支承系统结构模型，研究了输水时渡槽支承系统结构的受力特点、设计优化、施工技术等问题，并探讨了结构设计大赛对大学生综合能力培养的影响。

关键词：大学生；结构设计竞赛；综合能力；创新

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0148-02

湖北省大学生结构设计竞赛由湖北省教育厅、住房和城乡建设厅、湖北省土木学会联合主办，由湖北省高校轮流承办，对培养大学生的创新意识、团队合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质作用显著，已成为大学生素质教育和课外科技活动的一项重要内容。目前湖北省结构设计竞赛已经连续举办了五届，2017年第五届湖北省大学生结构设计竞赛共吸引了湖北省26所高校中的76支参赛队伍参加，经过三天紧张激烈的比赛，竞赛专家委员会根据计算书、模型外观、现场答辩和加载情况最终评出了8个一等奖、15个二等奖、15个三等奖、最佳创意奖、最佳制作奖和5个优秀组织奖。下面将对此次结构设计大赛进行回顾和总结，并探讨结构设计大赛对大学生综合能力培养的影响。

一、大赛回顾

本次湖北省大学生结构设计竞赛赛题为渡槽支承系统结构设计与制作。竞赛的目的就是希望通过制作渡槽支承系统结构模型，深入了解渡槽的不同结构形式，共同探讨输水时渡槽支承系统结构的受力特点、设计优化、施工技术等难题。在渡槽结构的设计过程中，需要重点考虑如下三个方面内容：

第一，在加水和放水过程中，跨河段模型都会受到水管对之产生的不断变化的压力和摩擦力，由于需要承受两段水管的压力，在加水过程中，上下水管无法均匀加载，会对跨河段模型产生冲击荷载作用，如果对模型的设计考虑不够充分，将会导致跨河段模型发生显著变形乃至被破坏，因此在设计中，对跨河段模型的设计是需要重点关注的问题之一。

第二，渡槽的最重要的功能是输送水流，放水时，水是否能均匀稳定地流下，残余在水管中的水是否符合要求。高差设置不合理时，会对模型产生不同程度的影响，高差过大，冲击而下的水对模型有一个冲击荷载，甚至造成模型产生不同程度的晃动；高差太小，容易造成水在水管中的残余，影响模型的功能。因此，模型全程的高差处理是设计时需要重点考虑的内容。

第三，渡槽不同于公路和铁路桥，要传送大量的水，对于大型渡槽而言，其传送的水的重量与渡槽结构本身的重量相当，甚至大于渡槽结构本身的重量，大量的水体在结构静力与动力分析中都起重要的作用，因此，在模型设计的过程中，水体与模型的相互作用也是需要重点考虑的内容。

作为建筑工程师，往往比较关注的是建筑的功能和外观，但结构工程师更看重结构体系的合理性和实用性。本次比赛评分根据计算书及设计说明、结构选型及制作质量、现场表现、模型加载、模型卸载和输水效率六项来确定。根据历年竞赛的情况来看，前三项差距并不大，后三项才是参赛团队需要重点关注的地方，本次竞赛的输水效率尤为重要，因此模型的稳定性和输水效率是确定模型结构形式的重要内容。

1.结构选型。在模型计算、制作和加载试验过程中，不同模型都有自己的优缺点，需要从质量及结构整体稳定性等方面考虑，找出较为合理的结构类型。在整个设计过程中，初步考虑如下几种体系：（1）梁式渡槽：梁式渡槽受力、传力明确，设计和施工均较方便，工程应用情况良好，是渡槽建设中采用最多的一种结构型式。（2）拱式渡槽：拱式渡槽的主拱圈在拱上结构传来的荷载作用下，主要产生轴向压力，而弯矩很小，因此可用抗拉强度低而抗压强度高的圬工材料建造，这是拱式渡槽的主要特点。（3）桁架式渡槽：分为桁架梁式渡槽和桁架拱式渡槽。桁架式渡槽充分发挥了材料的特性，具有施工快速、经济性好、纵向刚度大和重量轻等优点。（4）斜拉式渡槽：斜拉式渡槽一般由塔、墩、拉索及主梁（槽身）四部分组成，与其他结构相比具有十分明显的优点，因其是一种高次超静定结构，受力性能良好。并且斜拉结构对地形的适应性较强，造型简明轻巧美观。但是槽身过大的变形影响渡槽的过水能力，限裂止水等关键的技术问题尚待解决。从工程实例角度出发，梁式和拱式渡槽分别具有自己的优势，实际工程中梁式渡槽使用较为广泛。但从结构模型制作的角度出发，过桥段需要上下同时承载，桁架式渡槽相对更容易满足设计制作的要求。

2.渡槽的设计。基于上述分析，竞赛团队最终选择的是桁架拱渡槽。其特点在于：（1）以桁架式拱作为槽身支承结构的渡槽。桁架式拱将拱式渡槽的主拱圈与拱上支承结构结合在一起，加载时拱上支承结构与拱可以同时承载，满足设计的要求。（2）由于加载时会导致杆件的弯曲变形，并且有可能导致模型整体重心的偏移，使模型变得不稳固，因此在拱的下部分增加交叉拉带，抑制模型的侧向水平位移，在拱结点与长柱之间增加斜杆，从而抑制拱圈的位置变化，这样就会最大程度地减小拱圈的变形。（3）节点连接方面，考虑到良好的节点制作质量是确保整个模型性能得以充分发挥的关键，因此需要对节点的制作给予充分的重视。在节点处采用了“竹屑-胶”混合加固技术，并采用了多种节點板式的搭配组合。（4）除了有放置水管的空间要求外，对其他面上根据需要均打上交叉拉带，会使模型稳定性大大提高。

3.加载时不同情况的分析和处理。（1）在加水过程中，水从入水口流入，流向出水口的过程中，会带动水管产生一个向后的力，进而造成模型整体向后被拖垮。通常采取增加圈梁、增加连接构件等措施来解决，使结构的整体性有很大提高。（2）在加水过程中，存在短期内水在跨河段上的分布出现明显不均匀的情况，会导致加水期间跨河段拱发生较大变形，进而会造成杆件的弯折，对后续加水过程造成不利影响，因此对于模型需考虑加载引起的变形影响。针对上述状况，在跨河段模型设计时，节点处和长杆之间加斜杆，增加模型的整体性，减少由于输水时拱产生的上下位移。（3）本次竞赛要求采用指定的竹材和502胶水，但不同厚度的竹皮做出来的构件力学特性尚不明确。因此在模型设计阶段需要进行相应的材料性能试验，包括杆件的拉伸试验、受压性能试验等。

二、对大学生综合能力的培养

1.概念设计能力的培养。本次競赛需要参赛团队有一定的材料、力学、结构原理的知识基础以完成最优化的模型结构设计，由于不同的赛题对结构概念要求不同，这就需要参赛者对不同的结构形式，如高层结构、桥梁结构、屋架或渡槽支承体系等结构概念和不同结构的力学特性有一定的了解，以便选择合理的结构形式。

2.数值计算和创新能力的培养。为了使模型结构既满足承载要求又质量最轻，需要对构件截面进行反复的调整和计算，计算过程中，需要用到一些结构计算分析软件，如PKPM建筑结构设计、ANSYS软件分析、SAP2000软件的计算与应用等相关内容，通过指导教师的理论授课和分析软件培训，参赛团队熟练采用结构力学求解器计算平面结构问题，用ANSYS、MADIS、SAP2000等有限元软件计算空间结构的应力变形问题。在此基础上，制作结构模型，随后到实验室进行模型加载实验，并对实验结果进行讨论分析。达到了提高学生的数值计算能力和综合素质的目的，培养了参赛学生的创新能力。

3.动手实践能力的培养。结构设计竞赛是理论知识和工程实践紧密统一的完整过程，是把土木工程主干课程中的理论知识应用于模型设计与制作的真正实践，能够使学生切实感受到理论知识与工程实际问题的联系。在模型设计制作的整个过程中，全面考查了学生的力学概念和结构概念，训练了学生的动手能力，了解了实践与理论的差异之处，模型制作的精良程度与学生的动手能力密切相关。因此，对学生的创新能力、学习能力、工程实践能力、综合应用能力的培养发挥了巨大作用。

三、结语

本文从结构选型、支承体系结构设计和加载情况等方面对第五届湖北省结构设计竞赛进行了回顾和简单的总结，同时对结构设计大赛对大学生综合能力的培养进行了探索，结果表明：大学生结构设计竞赛能有效提高学生的创新能力、学习能力和动手实践能力，从而全面提高学生的综合素质。

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