结构设计竞赛的备赛过程及教学效果
——以拱形竹质结构模型设计分析与制作为例

韩爱红 程远兵 肖嘉辰 陈记豪 杨清华

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

0 引言

河南省第九届大学生结构设计竞赛以大跨度空间结构为背景，通过方案设计、分析计算、模型制作、现场答辩和加载试验等系列过程，以达到培养大学生的实践能力、创新精神和团队意识，为创新人才的培养提供一个很好的平台[1]。本文从结构选型、荷载传递分析和结构模型设计、细部构造和模型制作等备赛的各个方面进行了系统阐述，为结构模型设计提供参考。

1 结构选型

在满足承载力前提下，尽量减轻模型的重量，结构选型时，需要遵从以下原则[2-4]：

（1）主要受力构件或子结构布置在加载点处，以达到传力直接、传力途径短的目的。

（2）节点连接牢固，做到强节点强锚固。

（3）杆件截面受力均匀，刚度易于控制，由于有冲击荷载和撞击动荷载，因此模型的刚度应有一个合适的值，不易刚度太大，从而避免硬碰硬导致结构损伤。

（4）稳定性好。采用了柔性拉条来控制主要节点的位移，提升结构的整体稳定性。

（5）模型简洁，便于制作。

结合结构选型原则，考虑到结构模型材料性能和结构荷载的特点，初步选择了四榀横向刚架和纵梁的模型方案（见图1），模型重量200 g左右。为降低模型重量，把四榀横向刚架优化为两榀横向刚架，减少了杆件数量，极大地降低了模型重量，最终模型重量125 g左右，有效地提高了结构承受荷载与模型重量的比值（荷重比），实现了结构模型承载能力高、刚度合适、质量轻的目标，优化后的结构模型如图2所示。

图1 最初模型（实体图）

2 荷载传递分析和结构模型设计

2.1 结构模型设计

结构模型整体由纵向主桁架，两榀横向主刚架，独立柱和拉条等四部分组成，模型的俯视图。

2.1.1 纵向主桁架

纵向主桁架在一级荷载工况下为单跨两端外伸梁，一级荷载加载点分别作用于跨中及两端外挑部分。二级荷载时，纵向主桁架起到缓冲和向远端传力的作用，同时维持结构整体稳定。三级荷载时，纵向主桁架可承担部分结构整体扭矩。

图2 最终模型（实体图）

2.1.2 横向主刚架

此横向主刚架为两榀，分别由6 mm×10 mm的主刚架拉区和8 mm×12 mm的主刚架的压区斜腿半刚架组成，下部通过拉条来限制刚架节点的相对变形。此横向主刚架位于三级荷载的作用面内，主要抵抗三级荷载；在一级二级荷载时，支承纵向主桁架，并将荷载传递给底板。

2.1.3 独立柱

在端部钢板的下挂点处设置，共四个，独立于主体结构，主要抵抗二级荷载。

2.1.4 拉条

根据变形控制需要设置的拉条。

2.2 细部构造

（1）构件均设内波纹肋的矩形空心截面，以获得较高的承载力和局部稳定性。构件节点均采用局部贴片加强连接，以提高节点刚性。

（2）一级荷载加载点采用竹皮吊环悬挂，同时能起到二级、三级荷载时的摇摆减震缓冲作用。

（3）二级和三级荷载的冲力较大，在主桁架二级荷载加载点和三级荷载加载点处设置缓冲圈。

（4）独立柱柱顶滑槽、缓冲圈和蒙皮结构。独立柱在二级加载时产生的剪力非常大，因此在独立柱外侧贴一层竹皮板（蒙皮板），起到耗能和提升侧向刚度的作用。

2.3 模型制作

模型制作过程中，需要特别注意以下几个方面：

（1）竹皮材料的基本性能介绍和外观检查，选择好的杆件原材料是最基础的，切忌选择竹节多的竹皮，一般采用0.5 mm厚的竹皮做受力构件，0.35mm厚的竹皮做拉条，0.2 mm厚的竹皮做构件的外部环绕加强比较合适。

（2）竹皮的裁剪和打磨，拉条的制作。

（3）直杆竹皮构件制作方法（内部加横向垫片、纵向垫片、波纹片），制作完成后外部可以环箍加强或者螺旋箍加强。

（4）斜杆竹皮构件制作方法（斜角的处理：一种是直杆切角打磨；一种是竹皮切角后拼装打磨），制作完成后外部可以环箍加强或者螺旋箍加强。

（5）各种耗能构件的制作（吊环，缓冲圈，蒙皮板）。

（6）杆件的拼装，仅仅通过502胶粘一般不能保证节点的黏结强度，建议：局部粘贴竹皮加强或局部用磨细竹粉加强。

（7）模型底板安装，该模型的撞击力很大，务必保证模型与底板的黏结，本模型采用增大接触面来保障。

（8）绳扣的绑法，本次竞赛，棉线绳扣可以减缓三级荷载的冲击，采用双股绳扣和内外绳扣相结合，非常有效。

（9）注意加载时的小技巧，比如：一级钢球加载的顺序易对称；二级钢板尽量前倾；三级剪断线绳顺序等等，都值得实践和摸索。

3 结语

本次竞赛对学生掌握所学理论知识和训练交流协作能力有很大的帮助，能够充分调动学生们的主观能动性，做到了寓教于乐。结构设计竞赛可与结构力学等课程考核相结合，改变以前单一、枯燥的考核形式，真正实现“以赛带教，以赛促学”的目的，使学生灵活运用专业知识，提高学生的创新意识、动手能力、团队协作及交流能力。