“新工科”背景下结构设计大赛对大学生创新设计能力的培养＊

马法荣，李东，吴敏龙，赖治强，李宗娟，魏婷婷

（河西学院土木工程学院，甘肃张掖 734000）

近年来，随着新一轮国家科学技术创新研究战略计划课题的正式实施，中国理工科高等学校在人才培养层次方面上的具体要求也要随之进行改变，由原来简单的培养只要求本科生可以较好扎实地全面掌握有关本专业方向技术的科学基本和理论基础知识转变为将本科生培养成高级应用型科学技术创新拔尖人才，把应用型创新高层次人才队伍的重点培养放到了一个很重要位置[1]。同时由于国家战略和当代社会经济对高层次土木工程专业复合型人才队伍的总体需求也逐步做出了一个相应时期的优化调整，经过长期的办学实践探索，土木类专业创新人才培养目前已开始过渡进入到真正以重点培养复合应用型技术专业创新人才为办学目标导向的培养阶段[2]。

复合应用型技术专业创新人才培养[3-5]要求应基本具备系统、完整、全面的工程知识结构体系框架和相对良好的工程技术综合素质。完整的课程知识结构体系一般由扎实的基础理论知识和前沿科技的专业新技术构成，二者结合是正确培养学生科技创新思维素质的主要前提条件；良好全面的个人综合道德素质主要包括有报效国家的家国情怀、服务奉献社会的道德思想、团结进取合作创新的团队精神以及坚守工作岗位的健康体魄，这是提高学生持续具备技术创新素质能力素养的重要保障。虽然当前常规的模块化教学体系已能够保证学生进行理论内容和专业技术层面上的学习，但如何在实践中培养学生的独立创新思维、提高学生自身的动手创新以及应用能力，仍是中国当前应用型高校培养复合应用型人才所面临的挑战[6]。

因此，高校本科生教育体系应进一步将如何优化培养大学生知识结构体系和青年大学生创新综合应用素质提升作为未来培养创新型复合和应用型高素质创新拔尖人才体系的重要抓手，加大学生在创新能力方面的培养力度。故本文以甘肃省第四届大学生结构设计竞赛为学科背景，训练河西学院土木工程学院学生的综合创新能力、操作能力和创新思维。结构设计竞赛会使学生们在完成设计模型的同时，提高他们的动手能力、实践能力，锻炼他们团队合作和吃苦耐劳的精神。而这一特点与新时代培养复合应用型创新人才的需求非常契合。

1 设计说明

1.1 方案构思

以甘肃省第四届大学生结构设计大赛题目为参考，题目要求设计结构在满足尺寸要求的同时也满足结构三级加载的要求，其中第一、二级加载为静力加载，对应模拟测试桥梁在不对称荷载作用下的静承载能力，主要测试结构和构件的抗压与抗拉承载能力。三级加载为动荷载加载，在静载基础上进行桥梁动载测试，测试结构的抗冲击性能。此外还要求结构具有良好的稳定性能，避免主要结构构件破坏和挠度超出允许范围。

1.2 结构方案

对于本次的设计，经查阅多方资料后，分别考虑提出斜拉桥、梁式桥、拱桥和桁架桥4 种桥型作为初步设计方案。

斜拉桥作为大跨度跨海桥梁来讲，对构件刚度要求高，用集成竹皮强度恐无法达到，并且制作复杂，难度大，因此不做考虑。梁式桥有较好承载弯矩的能力，也可以很好地控制使用中的变形，但桥梁的稳定性问题突出，无法有效控制桥梁的扭转变形和偏心作用，因此梁式桥也不做考虑。拱桥最大主应力沿拱桥曲面作用，沿拱桥垂直方向最小主应力为0，可以很好地控制桥梁竖直方向的位移，但其自重较大，在竖向荷载的作用下会产生水平推力，所用杆件材料用料多、自重大，结构不能协调受力，且设计复杂、计算烦琐，因此拱桥也不做考虑。桁架桥具有比较好的刚度，腹杆既可承拉亦可承压，同时也可以较好地控制位移，造型美观，跨越能力较大，相比之下，最终方案选定为桁架桥模型，如图1 所示。

图1 桁架桥模型图

在确定最终的结构方案之前，做了多次尝试，每一次都是在前一个模型的基础上，针对其受力性能和破坏模式进行相应的优化，以使最终的结构最优。在方案设计过程中，需注意到以下5 点：①根据赛题规则，模型需要满足规定的承载能力和位移要求；并且模型受力性能的优劣是以单位承载力的高低进行区分的，故应尽可能减轻结构质量，提高材料利用率。②模型所承受的第一级和第二级荷载是非对称分布的静荷载，第三级荷载为动荷载，这就对结构的空间受力性能提出了更高的要求，尤其是在变化的水平荷载作用下，结构应具有足够的抗扭转能力。③由于模型加载是在指定的8 个点上施加集中力，因此加载点局部杆件的受力较大，要防止因局部杆件的破坏而导致整个结构丧失承载力。④模型与承台板之间采用自攻螺钉连接，是否能够牢固连接而更接近理想的固结支座对于整个结构的受力性能影响很大。⑤模型结构中必然存在众多杆件需要在一个节点连接的问题，节点的构造对于杆件能否充分发挥承载能力至关重要，在设计中应尽可能保证“强节点”的制作，避免节点的破坏先于杆件的破坏。

1.3 结构特色

结构多选用钢桁架结构，各两端弦杆件及其内部纵向受力分配关系等均都可以看作是单向且以径向拉、压弯受力方向为主，通过同时考虑到上下桁架两端的弦杆件和腹杆构件等的合理的对称组合布置，可做到同时适应整个钢结构体和内部结构复杂部分的垂直剪切弯矩特性要求和内部横向剪力分布。由于支座水平方向上产生的拉、压内力均只实现了到支座自身的受力平衡，整个支座受力平衡结构都不对支座本身产生水平推力，其受力合理，形式美观。

节点间的特殊加固。根据Midas Gen 软件有限元分析计算结果，对具有不同结构受力情况要求的加固节点可以采用完全不同类型的加固处理方式，契合了“强剪弱弯”“强节点弱构件”的抗震设计新理念。

杆件的局部加强。根据美国Midas Gen 软件的分析，桁架结构中不同截面部位的受力负荷情况均不同。因此，在保证尽可能多节省构件材料量的前提下仅对模型局部变形做一些加强性处理，增加了桁架结构受力的结构整体稳定性系数和工程可靠性，实现了“轻质高强”的设计理念。

2 结构分析及优化

2.1 结构分析

2.1.1 位移计算

利用Midas Gen 有限元计算软件在软件环境中建立模型，模拟竹结构模型在加载时受力的受力状况，在Midas Gen 有限元建模结果分析报告中，对模型主要的参数进行了定义，弹性模量为6.0×103MPa，密度为8 g/cm3，密度泊松比为0.3；在实际进行结构内力模型分析试验时需要按实际空间结构计算进行内力计算，结构模型分析中考虑大部分桥梁杆件受力都存在着弯矩、剪力比和轴力，为了试验计算更方便，建议统一采用梁单元模拟试验；但是由于在结构节点处进行连接施工主要还是靠胶水来进行粘连，按刚接法计算受力较为合理。

第一级加载在桥面上共设置8 个加载点，对应的加载装置图如图2 所示，加载点上竖向荷载加载工况如表1 所示，对应的内力计算图如图3（a）所示。

表1 荷载工况表 单位：kg

图2 加载装置平面图

图3 加载结果图

第二级荷载是在原有第一级荷载的荷载基础上又分为前后2 个主要步骤分别进行的加载，具体步骤如下：①保持C加载截面内的2 个加载点C1、C2保持静负载位置不变，从其最左侧的加载点取A1，将在该加载点内的所有砝码均转移至其另一侧的2 个A2加载截面点上。②将第一步移入荷载点上的所有砝码，全部都转移至第一个与该加载点坐标相同位置的B 型轴对称点上。为了减小计算工作量，以扭矩最为严重的加载模式A 为代表，分析其变形情况，如图3（b）所示。

由图3（a）可知，一级加载工况下结构的竖向最大位移出现在距支座40 cm 处，位移为0.3 mm；由图3（b）可知，二级加载工况下结构的竖向最大位移出现在距支座30 cm 处，位移为0.5 mm。

综上所述，结构在各种荷载工况下，都能够承受赛题规定的竖向荷载，且在第一、第二级荷载作用下，结构顶点的最大竖向位移都小于限值，满足位移要求。理论分析表明，此种结构方案较为合理，但实际结构模型能否达到理论计算值，还取决于在制作过程中的精细程度和对杆件节点的构造处理能否与理论计算假定相一致。

2.1.2 模型位移测试

根据Midas Gen 软件的分析结果，得到桁架桥位移为0.50 mm，如图4（a）所示。结构在竖向荷载和移动荷载的作用下，虽然发生了变形，但是整体性较好，位移相对较小，不影响其整体的稳定性。在实际模型加载过程中模型产生了变形，并没有发生断裂且挠度较小，如图4（b）和图4（c）所示，激光位移计记录的数据为0.63 mm，如图4（d）所示，基本与Midas Gen 软件加载结果相近，即理论方案的结果与实际模型结果基本一致。

图4 位移图

2.2 节点优化

2.2.1 支座节点

支座内部主要用于承受竖向平面系统内的竖向集中荷载，支座的内支承桁架结构设计可以比较有效地解决减小截面以上荷载问题，从而使整个支座系统有了较强的侧向抗压弯能力。因此，在支座和内部桁架结构杆件节点间衔接的部分节点部位也应同时满足支座相应位置的横向受力强度要求，采用了502 胶水直接将它们紧密粘结，考虑其接触部位面积要求较小，在其局部横向受力强度较大要求的节点部位采用竹粉胶和胶水共同作用加强并用竹皮进行缠绕，尽量能使各个建筑构件之间形成一个有机的整体，如图5（a）所示。

图5 节点优化图

2.2.2 梁加载处

由于施加荷载较大，作为主梁的杆件容易被尼龙绳切割而造成主梁破坏，因此，在加载点处用竖杆与2个斜杆进行支撑；同时用厚0.2 mm 的集成竹皮包裹易破坏部位，使主梁在承受相应荷载的基础上质量达到最小，竹制材料便可以满足其要求，如图5（b）所示。

2.2.3 多节点之间的连接处

杆件末端节点需要提前确定节点切割的角度，这样做才可以进一步地增大各杆件间节点的有效接触点面积，使整个节点结构更加紧密与牢固、稳定可靠。利用502 胶水废料先进行节点的粘结，再利用竹条废料进行节点的卡位，防止在靠近节点部位的相邻节点产生较大的位移；然后采用竹粉废料填充节点空隙并以502 胶水废料进行粘结固定节点的加固方式来加固节点，如图6 所示。

图6 节点加固图

3 结束语

模型的理想状态下的数据总是与现实测得的数据有一定的差距，但是误差都在可控范围内，理论模拟结果可信度较高。通过力学结构优化设计技能竞赛，可以切实提升高校大学生科研创新应用能力，通过参与解读参赛题、初步仪器选型、力学结构计算、动手项目制作、查阅有关文献书籍等一系列过程，既能切实培养青年学生良好的实践创新能力意识、动手设计能力，还能培养他们的团队意识能力和自主合作精神。一个结构模型完成，理论设计是必要条件，精准制作是充分条件，二者是相辅相成的。

模型制作也是一种技能，它需要熟能生巧，反复进行练习，不断在失败中总结经验，不断提高制作精准度和制作速度。在制作过程中会出现各种各样不同的问题，需要不断地遇到问题、解决问题，并在其中不断地提升自己的创新能力与实践能力。本文让学生们真实地感受到什么是理论与实践相结合，加深了对理论知识的理解。此外在制作模型的过程中感受到了无限乐趣，这种积极的作用也可以进一步培养学生的学习兴趣。