王建東 鄒名浩 鄭俊超 徐學飛 曹曉影 郁嘉誠
摘 要:以第九屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為背景,闡述大跨度結(jié)構(gòu)(高架橋)模型的設(shè)計與制作過程,并分析了該模型的特點與受力特性。題目要求學生在一定的專業(yè)理論基礎(chǔ)上,創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)模型,并對其進行受力狀態(tài)的模擬分析,逐步對作品進行改良,最終確定較合適的結(jié)構(gòu)模型。賽題還要求學生學習和利用先進的3D打印技術(shù),充分培養(yǎng)了學生的動手能力和創(chuàng)新能力。該作品最終取得了優(yōu)異的成績,其結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計思路以及制作方法對今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計 競賽 高架橋 模型
中圖分類號:TU318.1 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)12(b)-0054-02
“建工杯”全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽在昆明理工大學隆重開幕,此次賽題采用了以滇緬公路為現(xiàn)實基礎(chǔ)制作兩段連接山體的橋梁模型,不僅響應了抗日勝利70周年的大背景,也很好地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的價值。該文從競賽要求出發(fā),對參賽作品——“浩影東飛”的設(shè)計和制作思路進行全面介紹與分析,對結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的模型設(shè)計和制作有很好的借鑒作用。
1 賽題與要求
競賽賽題是制作“兩段山體模型”。整體模型是由給定的山體模型、制作的橋梁模型和作為底座連接用的承臺板3部分組成。給定的山體模型包括虎口、隧洞和棱臺模型。承臺板的標高±0.00 m,虎口山體虎口底面的標高為﹢0.14 m,隧洞山體洞口底面的標高為﹢0.30 m,棱臺山體山頂平面的標高為﹢0.20 m。橋梁模型由A、B兩段橋依山而成。A橋段結(jié)構(gòu)要求所有構(gòu)件及節(jié)點均采用給定竹材與502膠水手工制作完成。B橋段結(jié)構(gòu)的桿件采用給定竹材和502膠水手工制作,節(jié)點及連接部件采用給定的ABS塑料3D打印而成,最終B段橋梁結(jié)構(gòu)由桿件與節(jié)點及連接部件裝配而成,裝配過程中不允許使用502膠水,并且A、B橋段結(jié)構(gòu)橋面板制作時要求滿鋪,不允許有空隙。同時B橋段在指定位置設(shè)有減速帶。連接用承臺板主要用來承托給定的山體模型和制作的橋梁模型,模型與承臺板用自攻螺釘通過連接件連接,承臺板采用生態(tài)實木板。承臺板上設(shè)有一條具有一定寬度的模擬河流流經(jīng)A、B橋段,為便于通航,河道內(nèi)不允許設(shè)置橋墩。詳見模型三維透視圖(圖1)。
賽題最終是以兩級動荷載(載重小車)在一定速度下安全通過為得分準則,再結(jié)合模型質(zhì)量、模型設(shè)計方案和制作的工藝進行綜合評分。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 概述
現(xiàn)代橋梁分為梁式橋、拱式橋、鋼架橋、懸索橋、組合體系橋等基本類型[1-2]。此次競賽賽題對學生的結(jié)構(gòu)知識運用能力、創(chuàng)新能力、動手能力和團隊協(xié)作能力等提出了更高的要求,挑戰(zhàn)性非常強。這既要求選手們從實際出發(fā),參考諸多橋梁結(jié)構(gòu)特點,又需要加入一些創(chuàng)新理念,最終形成設(shè)計方案。
2.2 模型設(shè)計與理念
2.2.1 橋墩設(shè)計
橋墩不僅是傳遞縱向荷載的主要構(gòu)件,也是支撐橋梁和連接承臺板的主要構(gòu)件。這要求橋墩頂部、底部有合理的外形設(shè)計,有效地與橋梁和承臺板相連,能夠承受賽題所提供的靜(動)荷載等,同時要盡量減輕橋墩的質(zhì)量。因此模型采用變截面箱型柱,并在墩腳處粘結(jié)翼板并打孔。同時考慮到柱子彎矩是從頂部到底部逐漸增大的趨勢,所以采用變截面箱型柱來滿足承載要求。再將柱頂截面增大,使橋墩與橋梁連接更穩(wěn)定的同時,避免了橋墩因受集中力而破壞的情況發(fā)生;在柱底部設(shè)置翼板并打孔,有效地增大了橋墩通過自攻螺釘與承臺板連接時的強度。
2.2.2 橋梁設(shè)計
橋梁是承受行車靜(動)荷載的主體結(jié)構(gòu)。當小車行駛在橋梁上時,車輛動荷載通過4個車輪傳遞給橋梁,由橋梁傳遞給橋墩、再傳遞給承臺板。4個車輪與橋梁作用點可簡化成4個集中力作用點,為了使橋梁可以承受集中力,在相應輪距下設(shè)置兩根箱型梁,同時為保證車的行駛速度,拓寬行車道,在垂直箱型梁縱截面處增加勁肋。
2.2.3 節(jié)點設(shè)計
手工節(jié)點的制作,用502膠水將各部件拼接在一起即可。結(jié)點要保證連接可靠性的同時使質(zhì)量最優(yōu)化。
設(shè)計3D打印節(jié)點時,既要使節(jié)點和桿件有效連接,又要考慮節(jié)點的可操作性和質(zhì)量等因素。
2.3 結(jié)構(gòu)驗算
在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計方案完成后,理論驗算成為制作模型前的重要準備工作。該工作分為手算與電算校合兩部分。手算部分是結(jié)合賽題,將結(jié)構(gòu)盡量簡化,找出在靜(動)荷載作用下的最不利位置,利用所學的結(jié)構(gòu)力學等知識[3-4],分別進行計算,來檢驗各桿件的承載能力和剛度。
電算部分是借助有限元軟件進行建模分析。常用的軟件ANSYS、SAP200和MIDAS等。圖2和圖3是利用MIDAS進行的橋梁驗算結(jié)果圖。具體驗算包括承載能力驗算、剛度驗算、穩(wěn)定性驗算、位移驗算等。
3 模型的制作
根據(jù)上述模型的設(shè)計理念和計算結(jié)果,先完成各桿件的制作,同時將B段的各3D節(jié)點逐個打印,然后進行各節(jié)點拼接和細部的處理,最終制作而成的模型照片(見圖4)。
4 結(jié)語
結(jié)合賽題,模型既采用了實際工程上的結(jié)構(gòu)形式,又有天馬行空似的創(chuàng)新點??偟膩碚f,結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是理論與實踐的有機結(jié)合,只有靈活運用力學理論到實踐中,才能最大限度地提高設(shè)計和制作水平。希望該文對熱衷于結(jié)構(gòu)設(shè)計的同學有所借鑒和幫助。
參考文獻
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