沈璐　高潮　王志云

摘要：全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書的撰寫與指導是大賽的薄弱環(huán)節(jié)。文章針對第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題，闡述了模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，并對參賽模型進行了結(jié)構(gòu)分析。模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析過程能夠為今后的參賽選手提供思路，對于指導教師參與指導撰寫計算書也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽；模型結(jié)構(gòu)；設(shè)計；分析

中圖分類號：U318 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0159-05

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由教育部和中國土木工程學會聯(lián)合主辦，是教育部確定的大學生九項科技競賽之一。從2005年浙江大學承辦的第一屆，到2013年湖南大學承辦的第七屆，賽事日趨規(guī)范，為土木相關(guān)專業(yè)的大學生提供了鍛煉綜合素質(zhì)、思維能力、動手能力，培養(yǎng)團隊意識和專業(yè)素養(yǎng)的平臺。

隨著大賽的開展，一些不足之外也日漸顯現(xiàn)。參賽學生只重視模型的制作，不重視理論分析，模型的設(shè)計過程具有一定的盲目性，不能將所學的專業(yè)知識很好地運用到模型設(shè)計與計算中，最終導致參賽隊伍的計算書質(zhì)量較差。這一點也引起了主辦單位的重視，承辦單位在制定競賽規(guī)則和評分標準時，逐年加大了計算書和現(xiàn)場自述答辯環(huán)節(jié)的分值，旨在引起參賽選手和指導教師的注意，重視對參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的考察。

一、第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題

競賽賽題要求參賽隊設(shè)計并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進行加載測試。

模型采用大賽組委會提供的竹材料、膠水及工具現(xiàn)場制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。 制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型外圍長度為400 mm±5 mm，寬度為150 mm±5 mm，高度為265 mm±5 mm；模型結(jié)構(gòu)物應在圖1所示的陰影部分之內(nèi)。模型底面尺寸不得超過200 mm×150 mm的矩形平面。

三、荷載工況分析

此次比賽賽題的荷載并非事先確定的固定值或指定的荷載形式，而是在模型制作完成后各參賽隊推選一名選手穿著本隊制作的竹高蹺進行加載測試。

模型的加載分為靜加載和動加載兩部分：靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動加載通過參賽選手繞標競速來判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點都取決于參賽選手的質(zhì)量、運動方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對參賽隊員的力學分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算能力和現(xiàn)場制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上，此次賽題的荷載分析十分復雜，需要制定多種荷載工況，以滿足計算與荷載組合的需要。

總的來說，需要設(shè)定五種荷載工況，即靜載、奔跑時的動載（如圖3.3.1中A點所示）、轉(zhuǎn)彎時的扭轉(zhuǎn)荷載（如圖3.3.1中C點所示）、跨欄落地時的沖擊荷載（如圖3.3.1中B點所示）和奔跑時產(chǎn)生的反復加載所造成的疲勞荷載。

（一）工況一：靜載

參賽選手穿著本隊制作的竹高蹺雙腳靜止站立于地磅秤重臺上，測量選手的總重量，這個過程即是靜載加載的過程。

參賽隊員穿著竹高蹺及輪滑鞋后，稱得的重量為75 kg，相當于750 kN。由于靜載加載過程中始終為雙腳站立，因此每只模型上承受的靜荷載為750 kN的一半，即375kN。

參賽隊員在進行靜載加載時，腳掌完全作用在踏板上，相當于參賽鞋全面積范圍內(nèi)都在加載，因此可以簡化為輪滑鞋外圍面積300 mm×100 mm內(nèi)的均布荷載，因此，均布荷載大小q1可按3750 kN/m計算。

（二）工況二：動載（奔跑時）

繞標競速要求參賽選手穿著本隊制作的竹高蹺進行繞標跑或走，從而對模型產(chǎn)生動力荷載作用。值得注意的是，動力荷載的大小與作用面積與靜荷載完全不同，且差別較大，需要仔細分析。

首先，參賽隊員在奔跑過程中，只有一只腳著地，即身體的全部重量均由一只模型承擔。因此，此時作用在模型踏板上的作用力不是前面靜載作用的大小375 kN，而是選手總重量，即750 kN。

其次，在奔跑過程中，參賽選手的腳掌不是全部著落在踏板上，而是后腳掌懸空，前腳掌著地并施加作用力。因此，奔跑時的動荷載作用在踏板上的作用面積與靜載作用面積并不一致，如圖4。經(jīng)過測量參賽隊員前腳掌的尺寸，再加上擴散到輪滑鞋底的距離，最后計算出參賽隊員奔跑時踏板上的作用面積為100 mm×100 mm。將動荷載作用簡化為作用面積上的均布荷載，荷載集度q2可按7 500 kN/m計算。

（三）工況三：扭轉(zhuǎn)荷載（繞標轉(zhuǎn)彎時）

在繞標競速過程中，要求參賽選手必須繞過直徑為30 cm的繞標。選手在繞標轉(zhuǎn)彎過程中，腳掌會施加給踏板及模型一個扭轉(zhuǎn)的作用，這對模型結(jié)構(gòu)極其不利。尤其是對于桁架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比較薄弱，往往會造成結(jié)構(gòu)的損傷，甚至破壞。因此，在荷載工況中考慮扭轉(zhuǎn)情況是十分必要的。作用在模型上的扭轉(zhuǎn)作用可以簡化為力偶的形式進行計算。

（四）工況四：沖擊荷載（跨欄落地時）

在距離起點10 m處，設(shè)高度為35 cm的木結(jié)構(gòu)障礙板，要求參賽選手在繞標往返過程中越過障礙板。從力學角度分析，在此項比賽環(huán)節(jié)中，選手跨越障礙板后落地時，會對模型結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用。尤其是選手在奔跑過程中，為追求速度，模型每次落地時都會承受一定的沖擊作用。

沖擊荷載的大小是很難計算的。本隊采用橋梁工程中的算法，將靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來估算沖擊荷載的大小。沖擊系數(shù)按照橋梁工程中的規(guī)定，取一般值，即μ=1.15～1.2。

（五）工況五：疲勞荷載

在繞標競速過程中，施加在模型結(jié)構(gòu)上的荷載也是不斷變化的，在動荷載反復的加載卸載的過程中，對于模型結(jié)構(gòu)而言，也會產(chǎn)生一定的疲勞作用。

引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類型：一種為常幅交變荷載，也叫循環(huán)應力；另一種為變幅交變荷載。轉(zhuǎn)動的機械零件常發(fā)生常幅疲勞破壞，吊車橋、鋼橋等結(jié)構(gòu)則主要是變幅疲勞破壞。竹高蹺模型在奔跑中的疲勞損傷即為變幅疲勞。

四、荷載組合與有限元計算

考慮以下五種荷載組合：靜載加載組合；動載加載組合；動載+扭轉(zhuǎn)荷載組合；動載+沖擊荷載組合；動載+扭轉(zhuǎn)荷載+沖擊荷載組合。

利用大型通用有限元軟件Ansys對前述幾種荷載工況進行組合，經(jīng)過建模、調(diào)試，得到計算結(jié)果，選取部分云圖如圖5。

從計算結(jié)果看，在荷載工況2作用下，前斜撐受力明顯大于后斜撐，可以考慮將前斜撐做得強一些，后斜撐做得弱一些。但是在扭轉(zhuǎn)工況下，后斜撐與前斜撐受力相當，可見前后斜撐的剛度不宜相差過大。另外，底座為應力集中處，各種工況下的受力均接近最大值，因此底座的剛度應加強處理。

五、模型加載試驗

結(jié)構(gòu)模型試驗是一門以結(jié)構(gòu)模型為對象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標準，采用現(xiàn)代化測試分析技術(shù)，對結(jié)構(gòu)性能進行綜合評價，理論與工程實踐緊密結(jié)合的技術(shù)操作。通過模型試驗，工程技術(shù)人員能夠更加全面準確地了解模型的各項力學性能。模型試驗是理論分析的有益補充和驗證。由于有限元分析的準確度有限，要想獲知參賽結(jié)構(gòu)的承載能力和動載成績，必須借助于模型加載試驗來完成。圖6為模型加載試驗現(xiàn)場。

參考文獻：

[1]徐龍軍，李洋，許昊.全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題分析及建議[J].高等建筑教育，2012，21（3）：148-150.

[2]吳樟榮，章明卓，章旭健.以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為載體培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力[J].實驗室科學，2010，13（2）：6-8.

[3]傅軍.大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽活動的調(diào)查研究[J].實踐實驗教學，2009，（12）：1124-126.

[4]顧凌赟，殷怡，徐燕，劉寶兵.全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽研究與競賽指導初探[J].中國電力教育，2011，（23）：131-132.

[5]于洋.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中模型的設(shè)計與制作方法[J].科技資訊，2007，（18）：201-202.

（編輯 梁遠華）

摘要：全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書的撰寫與指導是大賽的薄弱環(huán)節(jié)。文章針對第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題，闡述了模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，并對參賽模型進行了結(jié)構(gòu)分析。模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析過程能夠為今后的參賽選手提供思路，對于指導教師參與指導撰寫計算書也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽；模型結(jié)構(gòu)；設(shè)計；分析

中圖分類號：U318 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0159-05

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由教育部和中國土木工程學會聯(lián)合主辦，是教育部確定的大學生九項科技競賽之一。從2005年浙江大學承辦的第一屆，到2013年湖南大學承辦的第七屆，賽事日趨規(guī)范，為土木相關(guān)專業(yè)的大學生提供了鍛煉綜合素質(zhì)、思維能力、動手能力，培養(yǎng)團隊意識和專業(yè)素養(yǎng)的平臺。

隨著大賽的開展，一些不足之外也日漸顯現(xiàn)。參賽學生只重視模型的制作，不重視理論分析，模型的設(shè)計過程具有一定的盲目性，不能將所學的專業(yè)知識很好地運用到模型設(shè)計與計算中，最終導致參賽隊伍的計算書質(zhì)量較差。這一點也引起了主辦單位的重視，承辦單位在制定競賽規(guī)則和評分標準時，逐年加大了計算書和現(xiàn)場自述答辯環(huán)節(jié)的分值，旨在引起參賽選手和指導教師的注意，重視對參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的考察。

一、第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題

競賽賽題要求參賽隊設(shè)計并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進行加載測試。

模型采用大賽組委會提供的竹材料、膠水及工具現(xiàn)場制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。 制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型外圍長度為400 mm±5 mm，寬度為150 mm±5 mm，高度為265 mm±5 mm；模型結(jié)構(gòu)物應在圖1所示的陰影部分之內(nèi)。模型底面尺寸不得超過200 mm×150 mm的矩形平面。

三、荷載工況分析

此次比賽賽題的荷載并非事先確定的固定值或指定的荷載形式，而是在模型制作完成后各參賽隊推選一名選手穿著本隊制作的竹高蹺進行加載測試。

模型的加載分為靜加載和動加載兩部分：靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動加載通過參賽選手繞標競速來判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點都取決于參賽選手的質(zhì)量、運動方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對參賽隊員的力學分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算能力和現(xiàn)場制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上，此次賽題的荷載分析十分復雜，需要制定多種荷載工況，以滿足計算與荷載組合的需要。

總的來說，需要設(shè)定五種荷載工況，即靜載、奔跑時的動載（如圖3.3.1中A點所示）、轉(zhuǎn)彎時的扭轉(zhuǎn)荷載（如圖3.3.1中C點所示）、跨欄落地時的沖擊荷載（如圖3.3.1中B點所示）和奔跑時產(chǎn)生的反復加載所造成的疲勞荷載。

（一）工況一：靜載

參賽選手穿著本隊制作的竹高蹺雙腳靜止站立于地磅秤重臺上，測量選手的總重量，這個過程即是靜載加載的過程。

參賽隊員穿著竹高蹺及輪滑鞋后，稱得的重量為75 kg，相當于750 kN。由于靜載加載過程中始終為雙腳站立，因此每只模型上承受的靜荷載為750 kN的一半，即375kN。

參賽隊員在進行靜載加載時，腳掌完全作用在踏板上，相當于參賽鞋全面積范圍內(nèi)都在加載，因此可以簡化為輪滑鞋外圍面積300 mm×100 mm內(nèi)的均布荷載，因此，均布荷載大小q1可按3750 kN/m計算。

（二）工況二：動載（奔跑時）

繞標競速要求參賽選手穿著本隊制作的竹高蹺進行繞標跑或走，從而對模型產(chǎn)生動力荷載作用。值得注意的是，動力荷載的大小與作用面積與靜荷載完全不同，且差別較大，需要仔細分析。

首先，參賽隊員在奔跑過程中，只有一只腳著地，即身體的全部重量均由一只模型承擔。因此，此時作用在模型踏板上的作用力不是前面靜載作用的大小375 kN，而是選手總重量，即750 kN。

其次，在奔跑過程中，參賽選手的腳掌不是全部著落在踏板上，而是后腳掌懸空，前腳掌著地并施加作用力。因此，奔跑時的動荷載作用在踏板上的作用面積與靜載作用面積并不一致，如圖4。經(jīng)過測量參賽隊員前腳掌的尺寸，再加上擴散到輪滑鞋底的距離，最后計算出參賽隊員奔跑時踏板上的作用面積為100 mm×100 mm。將動荷載作用簡化為作用面積上的均布荷載，荷載集度q2可按7 500 kN/m計算。

（三）工況三：扭轉(zhuǎn)荷載（繞標轉(zhuǎn)彎時）

在繞標競速過程中，要求參賽選手必須繞過直徑為30 cm的繞標。選手在繞標轉(zhuǎn)彎過程中，腳掌會施加給踏板及模型一個扭轉(zhuǎn)的作用，這對模型結(jié)構(gòu)極其不利。尤其是對于桁架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比較薄弱，往往會造成結(jié)構(gòu)的損傷，甚至破壞。因此，在荷載工況中考慮扭轉(zhuǎn)情況是十分必要的。作用在模型上的扭轉(zhuǎn)作用可以簡化為力偶的形式進行計算。

（四）工況四：沖擊荷載（跨欄落地時）

在距離起點10 m處，設(shè)高度為35 cm的木結(jié)構(gòu)障礙板，要求參賽選手在繞標往返過程中越過障礙板。從力學角度分析，在此項比賽環(huán)節(jié)中，選手跨越障礙板后落地時，會對模型結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用。尤其是選手在奔跑過程中，為追求速度，模型每次落地時都會承受一定的沖擊作用。

沖擊荷載的大小是很難計算的。本隊采用橋梁工程中的算法，將靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來估算沖擊荷載的大小。沖擊系數(shù)按照橋梁工程中的規(guī)定，取一般值，即μ=1.15～1.2。

（五）工況五：疲勞荷載

在繞標競速過程中，施加在模型結(jié)構(gòu)上的荷載也是不斷變化的，在動荷載反復的加載卸載的過程中，對于模型結(jié)構(gòu)而言，也會產(chǎn)生一定的疲勞作用。

引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類型：一種為常幅交變荷載，也叫循環(huán)應力；另一種為變幅交變荷載。轉(zhuǎn)動的機械零件常發(fā)生常幅疲勞破壞，吊車橋、鋼橋等結(jié)構(gòu)則主要是變幅疲勞破壞。竹高蹺模型在奔跑中的疲勞損傷即為變幅疲勞。

四、荷載組合與有限元計算

考慮以下五種荷載組合：靜載加載組合；動載加載組合；動載+扭轉(zhuǎn)荷載組合；動載+沖擊荷載組合；動載+扭轉(zhuǎn)荷載+沖擊荷載組合。

利用大型通用有限元軟件Ansys對前述幾種荷載工況進行組合，經(jīng)過建模、調(diào)試，得到計算結(jié)果，選取部分云圖如圖5。

從計算結(jié)果看，在荷載工況2作用下，前斜撐受力明顯大于后斜撐，可以考慮將前斜撐做得強一些，后斜撐做得弱一些。但是在扭轉(zhuǎn)工況下，后斜撐與前斜撐受力相當，可見前后斜撐的剛度不宜相差過大。另外，底座為應力集中處，各種工況下的受力均接近最大值，因此底座的剛度應加強處理。

五、模型加載試驗

結(jié)構(gòu)模型試驗是一門以結(jié)構(gòu)模型為對象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標準，采用現(xiàn)代化測試分析技術(shù)，對結(jié)構(gòu)性能進行綜合評價，理論與工程實踐緊密結(jié)合的技術(shù)操作。通過模型試驗，工程技術(shù)人員能夠更加全面準確地了解模型的各項力學性能。模型試驗是理論分析的有益補充和驗證。由于有限元分析的準確度有限，要想獲知參賽結(jié)構(gòu)的承載能力和動載成績，必須借助于模型加載試驗來完成。圖6為模型加載試驗現(xiàn)場。

參考文獻：

[1]徐龍軍，李洋，許昊.全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題分析及建議[J].高等建筑教育，2012，21（3）：148-150.

[2]吳樟榮，章明卓，章旭健.以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為載體培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力[J].實驗室科學，2010，13（2）：6-8.

[3]傅軍.大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽活動的調(diào)查研究[J].實踐實驗教學，2009，（12）：1124-126.

[4]顧凌赟，殷怡，徐燕，劉寶兵.全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽研究與競賽指導初探[J].中國電力教育，2011，（23）：131-132.

[5]于洋.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中模型的設(shè)計與制作方法[J].科技資訊，2007，（18）：201-202.

（編輯 梁遠華）

摘要：全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書的撰寫與指導是大賽的薄弱環(huán)節(jié)。文章針對第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題，闡述了模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，并對參賽模型進行了結(jié)構(gòu)分析。模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析過程能夠為今后的參賽選手提供思路，對于指導教師參與指導撰寫計算書也有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽；模型結(jié)構(gòu)；設(shè)計；分析

中圖分類號：U318 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0159-05

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由教育部和中國土木工程學會聯(lián)合主辦，是教育部確定的大學生九項科技競賽之一。從2005年浙江大學承辦的第一屆，到2013年湖南大學承辦的第七屆，賽事日趨規(guī)范，為土木相關(guān)專業(yè)的大學生提供了鍛煉綜合素質(zhì)、思維能力、動手能力，培養(yǎng)團隊意識和專業(yè)素養(yǎng)的平臺。

隨著大賽的開展，一些不足之外也日漸顯現(xiàn)。參賽學生只重視模型的制作，不重視理論分析，模型的設(shè)計過程具有一定的盲目性，不能將所學的專業(yè)知識很好地運用到模型設(shè)計與計算中，最終導致參賽隊伍的計算書質(zhì)量較差。這一點也引起了主辦單位的重視，承辦單位在制定競賽規(guī)則和評分標準時，逐年加大了計算書和現(xiàn)場自述答辯環(huán)節(jié)的分值，旨在引起參賽選手和指導教師的注意，重視對參賽選手專業(yè)素養(yǎng)的考察。

一、第七屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題

競賽賽題要求參賽隊設(shè)計并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進行加載測試。

模型采用大賽組委會提供的竹材料、膠水及工具現(xiàn)場制作，具體結(jié)構(gòu)形式不限。 制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型外圍長度為400 mm±5 mm，寬度為150 mm±5 mm，高度為265 mm±5 mm；模型結(jié)構(gòu)物應在圖1所示的陰影部分之內(nèi)。模型底面尺寸不得超過200 mm×150 mm的矩形平面。

三、荷載工況分析

此次比賽賽題的荷載并非事先確定的固定值或指定的荷載形式，而是在模型制作完成后各參賽隊推選一名選手穿著本隊制作的竹高蹺進行加載測試。

模型的加載分為靜加載和動加載兩部分：靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動加載通過參賽選手繞標競速來判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點都取決于參賽選手的質(zhì)量、運動方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對參賽隊員的力學分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算能力和現(xiàn)場制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。綜上，此次賽題的荷載分析十分復雜，需要制定多種荷載工況，以滿足計算與荷載組合的需要。

總的來說，需要設(shè)定五種荷載工況，即靜載、奔跑時的動載（如圖3.3.1中A點所示）、轉(zhuǎn)彎時的扭轉(zhuǎn)荷載（如圖3.3.1中C點所示）、跨欄落地時的沖擊荷載（如圖3.3.1中B點所示）和奔跑時產(chǎn)生的反復加載所造成的疲勞荷載。

（一）工況一：靜載

參賽選手穿著本隊制作的竹高蹺雙腳靜止站立于地磅秤重臺上，測量選手的總重量，這個過程即是靜載加載的過程。

參賽隊員穿著竹高蹺及輪滑鞋后，稱得的重量為75 kg，相當于750 kN。由于靜載加載過程中始終為雙腳站立，因此每只模型上承受的靜荷載為750 kN的一半，即375kN。

參賽隊員在進行靜載加載時，腳掌完全作用在踏板上，相當于參賽鞋全面積范圍內(nèi)都在加載，因此可以簡化為輪滑鞋外圍面積300 mm×100 mm內(nèi)的均布荷載，因此，均布荷載大小q1可按3750 kN/m計算。

（二）工況二：動載（奔跑時）

繞標競速要求參賽選手穿著本隊制作的竹高蹺進行繞標跑或走，從而對模型產(chǎn)生動力荷載作用。值得注意的是，動力荷載的大小與作用面積與靜荷載完全不同，且差別較大，需要仔細分析。

首先，參賽隊員在奔跑過程中，只有一只腳著地，即身體的全部重量均由一只模型承擔。因此，此時作用在模型踏板上的作用力不是前面靜載作用的大小375 kN，而是選手總重量，即750 kN。

其次，在奔跑過程中，參賽選手的腳掌不是全部著落在踏板上，而是后腳掌懸空，前腳掌著地并施加作用力。因此，奔跑時的動荷載作用在踏板上的作用面積與靜載作用面積并不一致，如圖4。經(jīng)過測量參賽隊員前腳掌的尺寸，再加上擴散到輪滑鞋底的距離，最后計算出參賽隊員奔跑時踏板上的作用面積為100 mm×100 mm。將動荷載作用簡化為作用面積上的均布荷載，荷載集度q2可按7 500 kN/m計算。

（三）工況三：扭轉(zhuǎn)荷載（繞標轉(zhuǎn)彎時）

在繞標競速過程中，要求參賽選手必須繞過直徑為30 cm的繞標。選手在繞標轉(zhuǎn)彎過程中，腳掌會施加給踏板及模型一個扭轉(zhuǎn)的作用，這對模型結(jié)構(gòu)極其不利。尤其是對于桁架結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比較薄弱，往往會造成結(jié)構(gòu)的損傷，甚至破壞。因此，在荷載工況中考慮扭轉(zhuǎn)情況是十分必要的。作用在模型上的扭轉(zhuǎn)作用可以簡化為力偶的形式進行計算。

（四）工況四：沖擊荷載（跨欄落地時）

在距離起點10 m處，設(shè)高度為35 cm的木結(jié)構(gòu)障礙板，要求參賽選手在繞標往返過程中越過障礙板。從力學角度分析，在此項比賽環(huán)節(jié)中，選手跨越障礙板后落地時，會對模型結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用。尤其是選手在奔跑過程中，為追求速度，模型每次落地時都會承受一定的沖擊作用。

沖擊荷載的大小是很難計算的。本隊采用橋梁工程中的算法，將靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來估算沖擊荷載的大小。沖擊系數(shù)按照橋梁工程中的規(guī)定，取一般值，即μ=1.15～1.2。

（五）工況五：疲勞荷載

在繞標競速過程中，施加在模型結(jié)構(gòu)上的荷載也是不斷變化的，在動荷載反復的加載卸載的過程中，對于模型結(jié)構(gòu)而言，也會產(chǎn)生一定的疲勞作用。

引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類型：一種為常幅交變荷載，也叫循環(huán)應力；另一種為變幅交變荷載。轉(zhuǎn)動的機械零件常發(fā)生常幅疲勞破壞，吊車橋、鋼橋等結(jié)構(gòu)則主要是變幅疲勞破壞。竹高蹺模型在奔跑中的疲勞損傷即為變幅疲勞。

四、荷載組合與有限元計算

考慮以下五種荷載組合：靜載加載組合；動載加載組合；動載+扭轉(zhuǎn)荷載組合；動載+沖擊荷載組合；動載+扭轉(zhuǎn)荷載+沖擊荷載組合。

利用大型通用有限元軟件Ansys對前述幾種荷載工況進行組合，經(jīng)過建模、調(diào)試，得到計算結(jié)果，選取部分云圖如圖5。

從計算結(jié)果看，在荷載工況2作用下，前斜撐受力明顯大于后斜撐，可以考慮將前斜撐做得強一些，后斜撐做得弱一些。但是在扭轉(zhuǎn)工況下，后斜撐與前斜撐受力相當，可見前后斜撐的剛度不宜相差過大。另外，底座為應力集中處，各種工況下的受力均接近最大值，因此底座的剛度應加強處理。

五、模型加載試驗

結(jié)構(gòu)模型試驗是一門以結(jié)構(gòu)模型為對象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標準，采用現(xiàn)代化測試分析技術(shù)，對結(jié)構(gòu)性能進行綜合評價，理論與工程實踐緊密結(jié)合的技術(shù)操作。通過模型試驗，工程技術(shù)人員能夠更加全面準確地了解模型的各項力學性能。模型試驗是理論分析的有益補充和驗證。由于有限元分析的準確度有限，要想獲知參賽結(jié)構(gòu)的承載能力和動載成績，必須借助于模型加載試驗來完成。圖6為模型加載試驗現(xiàn)場。

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（編輯 梁遠華）