彭永陳艷

1、中南大學土木建筑學院 長沙 410075; 2、中南大學資源與安全學院 長沙 410000

結(jié)構(gòu)模型設計之我見

彭永1陳艷2

1、中南大學土木建筑學院 長沙 410075; 2、中南大學資源與安全學院 長沙 410000

主要闡述了結(jié)構(gòu)模型設計的主要三個步驟，指明結(jié)構(gòu)模型設計的主要注意事項。

結(jié)構(gòu)模型設計大賽面向土木建筑類大學本科學生，是一項將課堂理論與實際工程緊密結(jié)合的競賽，目前全國性大學生結(jié)構(gòu)設計競賽已被教育部列為大學生9項科技競賽之一，它旨在通過學生對所學知識的綜合運用，以提高同學的動手能力與思維能力，突出創(chuàng)新精神，加強隊員間的合作與交流，豐富同學的課余生活，是一項極富科學性、創(chuàng)造性與挑戰(zhàn)性的學科競賽。為貫徹實施土木建筑類大學生創(chuàng)新訓練計劃，培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、實踐能力，提高土木工程專業(yè)教學質(zhì)量，全國各大高校紛紛舉辦各級別的結(jié)構(gòu)模型設計大賽。

結(jié)構(gòu)模型設計大賽主要分為三步：理論分析；模型制作；模型加載。下面我以湖南省第四屆土木建筑類大學生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽為例，簡要介紹結(jié)構(gòu)模型設計的過程。

1 理論分析

結(jié)構(gòu)模型設計的最佳狀態(tài)是在用料最少的情況下，承重最大。但這兩點不能兼得。所以要通過理論分析來確定模型的形式。事實上，理論計算包括的范圍很廣，材料的性質(zhì)分析、構(gòu)思結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)力分析、穩(wěn)定性分析、變形分析、方案優(yōu)化比選等幾個方面。做好理論計算要統(tǒng)籌兼顧做好每一個面，才能科學合理的做好結(jié)構(gòu)模型設計。湖南省第四屆土木建筑類大學生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽的材料有木條、木板、蠟線、502膠。首先了解材料的主要力學性質(zhì)，比如彈性模量，抗拉強度，抗壓強度等。對可能的荷載情況進行分析，根據(jù)已有的橋梁模型，構(gòu)思幾種結(jié)構(gòu)形式。計算出在荷載作用下各結(jié)構(gòu)形式是否滿足強度、穩(wěn)定性、變形的要求。反復多次計算。根據(jù)評分標準，分析比較得到最佳的結(jié)構(gòu)形式。當然計算主要是通過計算機來實現(xiàn)，一般可用結(jié)構(gòu)力學求解器來計算，結(jié)構(gòu)力學求解器使用簡單，幾乎不需要學就能用。水平高的可用ansys等有限元軟件來實現(xiàn)。

2 模型制作

模型制作是整個結(jié)構(gòu)模型設計的關鍵。如果沒有完美的制作工藝，再好的理論分析也是紙上談兵。湖南省第四屆土木建筑類大學生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽與以往不同，主要的承重材料由紙制的改為了木材，所以各構(gòu)件的制作很容易，直接用502膠粘合即可。但模型制作中的節(jié)點處理極為困難。因為各種力匯總到節(jié)點，有時節(jié)點處的受力還很大，尤其是，受拉構(gòu)件經(jīng)常會在節(jié)點處脫落。所以節(jié)點制作一定要重點關注、仔細實施。節(jié)點制作大致有兩種方法。方法一是用兩塊木板夾住節(jié)點，用打孔機鉆孔，插入木條做的銷釘（如圖一所示）。方法二是不打孔，直接用502膠粘合。兩種方法各有利弊。方法一制作工藝復雜，需要時間長，還需要買鉆孔機，但方法一承重大，一般不會因節(jié)點破壞而使模型破壞。方法二制作工藝簡單，用時短，但加載時可能會因為節(jié)點破壞而導致整個模型倒塌。制作是需根據(jù)荷載的大小、制作允許的時間、502膠質(zhì)量的好壞來選擇用何種方法來處理節(jié)點。

圖一 節(jié)點處理

3 模型加載

模型加載的環(huán)節(jié)常常被參賽者忽略。但模型加載成績的好壞直接影響到整個比賽的結(jié)果，加載成績在總成績中所占得比重是最大的，所以我們對加載一定要予以足夠的重視，注意細節(jié)，細節(jié)決定一切。

湖南省第四屆土木建筑類大學生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競賽的模型加載分為靜荷載與動荷載兩部分。我們把加載工作簡單地分為幾個步驟：

3.1 加載前準備階段

1、根據(jù)理論計算以及結(jié)構(gòu)的具體的情況擬定加載方案，由于模型的承載能力與荷載的作用時間有直接關系。加載所經(jīng)過的時間越長，模型越容易破壞。加載方案可能會影響最終的比賽成績，所以應該合理確定加載方案。2、熟悉加載過程，避免正式加載手忙腳亂

3.2 加載期間的注意事項

1、加砝碼時要輕拿輕放，弱小的參賽者最好不要參與加載；2)、安裝加載裝置時應留出盡量多的空間來放砝碼，以免出現(xiàn)無處放砝碼，模型“有力使不出”的情況。3)、注意觀察在加載之前各個對手的加載成績，臨場制定自己的加載目標，以達到預期的名次。

[1]朱江南，解建超.淺談結(jié)構(gòu)模型設計[J].現(xiàn)代科技.2009(9)

[2]徐萌.在結(jié)構(gòu)模型大賽中錘煉大學生的綜合能力.山西建筑.2010(26)

[3]金偉良.2005年第一屆全國大學生結(jié)構(gòu)設計競賽作品選編[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2006

TU318.2

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.057

4 結(jié)語

彭永，男，中南大學土木建筑學院，土木工程專業(yè)，主要從事固體力學的研究。

結(jié)構(gòu)模型；節(jié)點處理；施工工藝

我國大學生結(jié)構(gòu)設計大賽至今已16個年頭，積累了很多經(jīng)驗，受到了越來越多高校的關注，也吸引了眾多學生的參與，結(jié)構(gòu)模型設計理論與制作工藝也逐漸在走向成熟。結(jié)構(gòu)模型設計將向程序化、模式化方向發(fā)展。