趙雄輝 馬云飛 陶杰

摘要：本文針對(duì)2019年第十三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽中山地輸電塔結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作。將計(jì)算機(jī)仿真分析引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，有助于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的分析和設(shè)計(jì)水平，對(duì)推動(dòng)相關(guān)專業(yè)本科教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：仿真分析；約束條件；結(jié)構(gòu)大賽；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比賽已被列為全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新賽事之一。該賽事主要針對(duì)工程及相關(guān)專業(yè)的在校大學(xué)生，非常具有創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性，鞏固和提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，應(yīng)用和實(shí)踐能力，強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)意識(shí)和協(xié)作能力有很大幫助作[1]。比賽中對(duì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，讓結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)，能體現(xiàn)參賽者的工程技術(shù)程度和智慧[2]。文章以2019年第十三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，從材料特征、結(jié)構(gòu)選型等方面，闡述了竹質(zhì)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)步驟和方法，并利用MIDAS分析軟件對(duì)大賽模型優(yōu)化選型提供有效思路。

1、賽題簡(jiǎn)介

1.1模型概述

要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)山地輸電塔模型（以下簡(jiǎn)稱“模型”），通過(guò)螺釘將模柱支腿固定在400 mm×400 mm×15 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的竹模上，模型的底面固定在薄模中心250 mm×250 mm正方形的正方形中，如圖1a所示，底板中心點(diǎn)為 o點(diǎn)?！案邞覓禳c(diǎn)”也可用作“水平加載點(diǎn)”低懸掛點(diǎn)應(yīng)該是模具最遠(yuǎn)的外伸（懸要設(shè)計(jì)和制造山地輸電塔模型），必須在模型上安裝兩個(gè)“低懸掛點(diǎn)”和一個(gè)“高懸掛點(diǎn)”臂）點(diǎn)，間隔薄模表面的高度應(yīng)該在1000 mm～1100 mm的范圍內(nèi)。底部表面上兩個(gè)低懸點(diǎn)的投影應(yīng)分別位于低懸掛突出部分，如圖1a所示，分別位于上部和下部扇形環(huán)的陰影區(qū)域；底部懸掛點(diǎn)的高度應(yīng)在1200mm～1400mm范圍內(nèi)，薄模表面的投影距離o不應(yīng)大于350mm，高懸掛點(diǎn)應(yīng)為模型的最高點(diǎn)。模型低懸掛點(diǎn)和高懸掛點(diǎn)（和水平加載點(diǎn)）的垂直位置如圖1b所示。

1.2加載概述

荷載施加分三級(jí)，一、二級(jí)加載均為掛線荷載，分別在指定導(dǎo)線的加載盤上碼放砝碼，三級(jí)加載是通過(guò)側(cè)向加載指導(dǎo)線施加側(cè)向水平荷載。

1.3 材料物理力學(xué)性能

（1）竹材 結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽常用的竹材為竹皮和竹桿件，是專為制作結(jié)構(gòu)模型而研發(fā)的材料，常常被用于各級(jí)結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽中[3.4]。

（2）502膠水 在用竹皮竹條制作結(jié)構(gòu)模型時(shí)，會(huì)用到502膠水粘結(jié)材料。502膠水是一種合成的單組份瞬間固化粘合劑，具有價(jià)格便宜、便于操作、粘結(jié)強(qiáng)度高、粘結(jié)時(shí)間短等特點(diǎn)；但502膠水具有一定的毒性，固化以后毒性降低，因此學(xué)生在用502膠水制作結(jié)構(gòu)模型時(shí)要做好防護(hù)工作。在制作模型時(shí)，有參賽者會(huì)用竹皮蘸502膠水的方法來(lái)提高竹皮的抗拉強(qiáng)度，本文不考慮竹皮蘸過(guò)502膠水后的密度和抗拉強(qiáng)度的變化。在實(shí)際模型制作過(guò)程中，操作者應(yīng)控制好502膠的流出量和均勻程度，以增大接觸面積和提高粘結(jié)強(qiáng)度。[5]

（3）濕度、線膨脹系數(shù) 竹皮抗拉強(qiáng)度受空氣濕度影響較小，加之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽均在室內(nèi)進(jìn)行，故不考慮濕度影響。另外，此模型亦不考慮溫度影響[6]。

2、山地輸電塔模型有限元模型

2.1計(jì)算模型簡(jiǎn)化

本文采用MIDAS GEN軟件建立典型模型，本文并不針對(duì)某個(gè)作品進(jìn)行分析，僅是建立具代表性的拱橋模型，并通過(guò)改變有關(guān)參數(shù)，得出各級(jí)載荷條件下山地輸電塔模型的受力影響。其結(jié)論在一定的適用范圍，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

圖2 山地輸電塔有限元模型

2.2邊界條件

模型柱腳用自螺絲釘牢固于長(zhǎng)×寬×厚為400mm×400mm×15mm的竹底上，模型底面長(zhǎng)度限定在底板中心邊長(zhǎng)為250mm的正方向區(qū)域內(nèi)。邊界條件設(shè)置為固接。

3、加載及結(jié)果分析

3.1分級(jí)加載

根據(jù)比賽規(guī)則，本文選取低掛點(diǎn)1（節(jié)點(diǎn)19），在其上掛砝碼6.0kg，即一級(jí)加載；一級(jí)荷載保持，分別在低掛點(diǎn)2（節(jié)點(diǎn)18）及高掛點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)9）上掛砝碼12kg施加二級(jí)荷載，一、二級(jí)荷載保持，在模型“水平加載點(diǎn)”通過(guò)“砝碼+引導(dǎo)繩”的方法施三級(jí)加側(cè)向水平荷載，荷載大小取4kg。

依次施加各級(jí)靜力荷載類型：空載（自重）、一級(jí)加載（自重+第一級(jí)荷載）、二級(jí)加載（自重+第一級(jí)荷載+第二級(jí)荷載）、三級(jí)加載（自重+第一級(jí)荷載+第二級(jí)荷載+第三級(jí)荷載），利用MIDAS結(jié)果分析梁構(gòu)件受力情況（如圖3）。

3.2結(jié)果分析

對(duì)比可知在整個(gè)加載過(guò)程中，塔身部位相應(yīng)受力、應(yīng)變較??；高掛點(diǎn)在整個(gè)加載過(guò)程中受力和形變變化不大，尤其在三級(jí)加載過(guò)程中，高掛點(diǎn)依舊能夠保持相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性；低掛點(diǎn)1（節(jié)點(diǎn)19）涉及梁?jiǎn)卧?3、34、35、36在一級(jí)加載情況下受力及形變較大，低掛點(diǎn)12（節(jié)點(diǎn)18）涉及梁?jiǎn)卧?7、38、39、40在二級(jí)加載及三級(jí)加載情況下受力及形變顯著，尤其在三級(jí)加載情況下尤為明顯。該結(jié)論表明模型構(gòu)建過(guò)程中低掛點(diǎn)1、2所連接梁?jiǎn)卧獞?yīng)采用剛度較大桿件，模型桿件尺寸選擇時(shí)可選用如圓柱狀或圓筒狀加固。

4、結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型源于工程實(shí)際，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，隨著賽題與實(shí)際結(jié)合越來(lái)越緊密，需要對(duì)模型進(jìn)行有效簡(jiǎn)化，以抓住主要矛盾進(jìn)行分析；

（2）通過(guò)對(duì)實(shí)際復(fù)雜模型的簡(jiǎn)化，在滿足大賽命題的要求下，進(jìn)行有限元仿真模擬，以提高分析程度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)有針對(duì)性的開(kāi)展模型制作，加快建造模型速度，節(jié)省相關(guān)材料。

參考文獻(xiàn)

[1]徐龍軍，李洋，許昊. 全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題分析及建議[J]. 高等建筑教育，2012，21（3）：148-150

[2]暴偉，朱珊，胡忠君. 從大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽看創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)與人才培養(yǎng)[J]. 吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，31（9）：17-19.

[3]付善春，尹祖興，楊倩文，等. 竹材構(gòu)件材料力學(xué)性能及承載力研究[J]. 河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（4）：49-52.

[4]項(xiàng)昌軍，陳躍，童晨希，等. 竹材大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)及理論分析[J]. 寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，29（4）：32-37.

[5]李雋逸，劉志威. 大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽之竹材橋梁結(jié)構(gòu)分析[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2018（7）：195-196.

[6]曾德軍. 竹材結(jié)構(gòu)墻體熱特性實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湖南大學(xué)，2011.

（作者單位：武漢生物工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院）