摘 要：土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)模型設計競賽已成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、實踐能力和競爭意識的一個新興實踐教學環(huán)節(jié)。基于第十屆全國大學生結(jié)構(gòu)設計競賽賽題，本文從設計思路、結(jié)構(gòu)選型和節(jié)點處理與制作3個方面介紹模型。最終制作完成符合大賽要求的模型。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型；結(jié)構(gòu)選型；節(jié)點處理與制作

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

一、設計思路

本結(jié)構(gòu)的大跨度屋蓋是采用交叉張弦雙拱結(jié)構(gòu)。采用此種結(jié)構(gòu)便于控制撓度，節(jié)約材料。整個結(jié)構(gòu)受力主要由兩個工字型曲線拱梁承擔，兩梁之間的斜拉條可以保證防止兩個工字型曲線梁平面外失穩(wěn)，在工字型曲線梁受力后，底部拉條受拉，正好發(fā)揮竹材抗拉性能。柱子采用4根帶外拉竹條的“T”型柱。在柱子頂部搭接屋蓋，屋蓋將上部荷載直接傳遞給柱子，在柱子的外側(cè)均有3個方向的拉條，增加結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。

二、 結(jié)構(gòu)選型

1.屋蓋結(jié)構(gòu)方案確定

對于這次的設計，我們分別考慮了桁架結(jié)構(gòu)（如圖1所示），網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（如圖2所示），雙拱結(jié)構(gòu)（如圖3所示），共3種設計方案。

（1）桁架結(jié)構(gòu)是以桁架代替實心梁承受彎矩，它是由多根小截面桿件組成的“空腹式的大梁”，由于桁架相對于實心的梁在受彎方面更經(jīng)濟。此結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要為軸力，結(jié)構(gòu)模型很合理。但考慮到竹子的受壓能力有限，經(jīng)過多次試驗，要想承受足夠的荷載，其自重必然會很大，且撓度極小。

（2）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多桿件從兩個方向或多個方向有規(guī)律地組成的高次超靜定空間結(jié)構(gòu)。由于桿件之間的相互空間作用，它具有桁架結(jié)構(gòu)受力體系的優(yōu)點，能承受彎矩、節(jié)省材料，同時具有空間穩(wěn)定性，在各個方向均具有較好的剛度。但也正是它的這些特點導致此結(jié)構(gòu)剛度太大，并且節(jié)點太多，結(jié)構(gòu)的偶然性無法保證。

（3）雙拱結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合了這兩者的優(yōu)缺點，此結(jié)構(gòu)制作方法簡單，材料利用合理，自重輕，強度大，撓度適合，節(jié)點少。整個結(jié)構(gòu)受力主要由兩個工字型曲線拱梁承擔，兩梁之間的斜竹拉條可以保證防止兩個工字型曲線梁平面外失穩(wěn)，在工字型曲線梁受力后，底部拉條受拉，正好發(fā)揮竹材抗拉性能。所以，經(jīng)過多次試驗比較，我們最后選擇了交叉張弦雙拱結(jié)構(gòu)。

2.柱方案的確定

確定屋蓋模型后，發(fā)現(xiàn)交叉張弦雙拱結(jié)構(gòu)在承受荷重后除產(chǎn)生重力外還要產(chǎn)生橫向的推力，為保持穩(wěn)定，就必須要有堅實、穩(wěn)固的支座。因此，經(jīng)過多次試驗后我們選用截面為帶外拉竹條的T型柱，如圖4所示，此種柱強度大，質(zhì)量輕，穩(wěn)定性好，使柱子具有更好的穩(wěn)定性。

三、節(jié)點處理及制作

1.桿件拼接連接

桿件連接順序：首先將柱子和梁制作完成，然后在承臺板上面先樹立4根柱子，將制作好的工字型交叉雙拱梁的4個腳點搭接在柱頂，并使用502膠水固定；然后將制作好的柱子拉索結(jié)構(gòu)按照要求的尺寸固定在柱子的周圍，并將拉索結(jié)構(gòu)的另一端固定在承臺板上面；最后按照設計的尺寸搭接工字型交叉雙拱梁上的拉索結(jié)構(gòu)。

2.節(jié)點連接

（1）工字型曲線形拱梁的連接。工字型交叉雙拱梁分別使用兩根規(guī)格為930mm×6mm×1mm的竹條和1根規(guī)格為930mm×3mm×3mm制作而成。兩條工字型交叉雙拱梁連接形成屋面主要受力構(gòu)件，如圖5所示。

（2）梁的節(jié)點處理。梁在制作的過程中，由于單根竹條長度不夠，所以必須進行竹條的加長處理。為了增加逐條的粘膠面積，將竹條想成“L”形接口并在其兩側(cè)附加竹條加固，如圖6所示。

（3）梁和柱子的連接。梁先和張弦拉索連接在一起，梁和張弦的連接是依靠粘接在張弦上的斜口竹片（斜口角度30度為宜）和梁的楔形末端咬合粘接。在張弦的底部附加規(guī)格為930mm×6mm×1mm的竹片（略長于梁末端的楔形口）然后將梁末端的楔形口下的竹片和柱子頂部搭接并用502膠水固定，并加擋片用規(guī)格為1250mm×430mm×0.2mm的竹皮條纏繞，從而達到加固的效果，如圖7所示。

（4）柱子頂部和拉索的連接。在成型的柱子的周圍黏結(jié)拉索，并在柱子頂部10mm-20mm處用規(guī)格為1250mm×430mm×0.2mm的竹皮紙裁剪成5mm寬的條狀纏繞，從而達到加固的效果，如圖8所示。

（5）拉索和柱身的連接。在柱子的中點以上30mm處用規(guī)格為930mm×6mm×1mm裁剪成適當長度的短竹條，頂起拉索，以此增加柱子的穩(wěn)定性，如圖9所示。

3.柱腳節(jié)點

拉索和柱子與承臺板的連接。為了使結(jié)構(gòu)和承臺板穩(wěn)定的連接，柱腳和拉索底部都增加了與承臺板接觸面積，如圖10所示。

結(jié)語

本文以全國第十屆大學生結(jié)構(gòu)設計大賽為例，詳細介紹了模型屋蓋結(jié)構(gòu)方案比選，柱方案確定，并結(jié)合實際手工制作，最終完成符合大賽要求的模型。

參考文獻

[1]陳吉光.結(jié)構(gòu)模型設計制作與分析——以2015年吉林省大學結(jié)構(gòu)設計大賽為例[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（5）：89-90.