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

[1]高興元.橋梁工程[M].天津：天津大學出版社，2010.

[2]丁艷瓊.現(xiàn)代橋梁發(fā)展概況及趨勢[J].科協(xié)論壇，2011（7）：9-10.

[3]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學[M].北京：清華大學出版社，2013.

[4]江愛川.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，1986.

[5]余世策，宋翔，楊丁亮，等.結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中風力發(fā)電塔的設(shè)計與制作[J].力學與實踐，2010，32（6）：96-99.