邢犇犇 徐金花 白泉

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院 遼寧沈陽 110870)

0 引言

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，是面向土木工程專業(yè)本科生的一項(xiàng)考驗(yàn)理論知識(shí)應(yīng)用和動(dòng)手操作能力的比賽,旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力動(dòng)手實(shí)踐能力和對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，為高等學(xué)校開展創(chuàng)新教育和實(shí)踐教學(xué)改革加強(qiáng)高校與企業(yè)之間聯(lián)系推動(dòng)學(xué)科創(chuàng)新活動(dòng)起到積極示范作用，是一項(xiàng)富有科學(xué)性和挑戰(zhàn)性的學(xué)科競(jìng)賽[1]。2018年遼寧省普通高等學(xué)校本科大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽在沈陽建筑大學(xué)舉行。

1 賽題的回顧與分析

該次競(jìng)賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型，要求針對(duì)靜載隨機(jī)選位荷載及移動(dòng)荷載等多種荷載工況下的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析模型制作及試驗(yàn)。此3種荷載工況，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的恒荷載活荷載和變化方向的水平荷載(如風(fēng)荷載或地震荷載)。通過較為精確的荷載計(jì)算和內(nèi)力計(jì)算，設(shè)計(jì)出輕質(zhì)高強(qiáng)受力可靠的空間屋蓋模型。模型構(gòu)件，允許的布置范圍為2個(gè)半球面之間的空間，內(nèi)半球體半徑為375mm，外半球體半徑為550mm。模型需要在指定位置設(shè)置8個(gè)加載點(diǎn)。加載分為三級(jí)，第一級(jí)加載，在8個(gè)點(diǎn)同時(shí)施加豎向荷載；第二級(jí)加載，在第一級(jí)的荷載基礎(chǔ)上，選定4個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)施加豎向荷載；第三級(jí)，在前兩級(jí)荷載基礎(chǔ)上，施加變方向的水平荷載。

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)選型，要充分考慮比賽要求加載方式材料的特性。實(shí)際工程中，大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，主要采用剛架結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)等。剛架結(jié)構(gòu)，由直線形桿件通過剛性結(jié)點(diǎn)連接而成。桿件較少，制作方便，但剛度較差，受荷后產(chǎn)生的撓度較大。桁架結(jié)構(gòu)，由上弦桿下弦桿和腹桿通過鉸連接而成。該結(jié)構(gòu)受力合理，計(jì)算簡(jiǎn)單，制作方便。模型中應(yīng)使弦桿受力均勻，材料充分利用。腹桿的布置應(yīng)使內(nèi)力分布合理，短桿受壓，長(zhǎng)桿受拉，而且桿件和結(jié)點(diǎn)數(shù)量要少，總長(zhǎng)度要短，盡量使荷載作用在結(jié)點(diǎn)上。拱結(jié)構(gòu)中桿軸為曲線，且在豎向荷載作用下，以受壓為主，截面具有一定的剛度。對(duì)于抗壓性能好的材料，拱結(jié)構(gòu)是一種較理想的結(jié)構(gòu)形式。

初步設(shè)計(jì)提出了拱結(jié)構(gòu)方案和剛架結(jié)構(gòu)方案，加載試驗(yàn)結(jié)果表明，拱結(jié)構(gòu)模型抗豎向荷載性能較好，但不利于抵抗水平荷載，并且制作工藝復(fù)雜，模型組裝困難，桿件定位誤差較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。經(jīng)小組討論后，決定采用剛架結(jié)構(gòu)方案。由于荷重比和位移，是本次競(jìng)賽衡量模型優(yōu)劣的重要指標(biāo)，因此，在選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，力求選用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，使用最少的材料制作出滿足強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性要求的屋蓋模型。整體結(jié)構(gòu)，既要簡(jiǎn)潔美觀，又要堅(jiān)固實(shí)用，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)，自上而下由頂層的正方形平面和二層的正八邊形平面組成，并通過12根豎桿，將整個(gè)模型固定在承臺(tái)板上的4個(gè)支座處，模型主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型的總體高度為525mm，頂層和二層的垂直距離為130mm，二層距承臺(tái)板395mm。賽題要求有8個(gè)加載點(diǎn)，為了使荷載都能直接施加在結(jié)點(diǎn)區(qū)域，頂層正方形的4個(gè)角點(diǎn)均位于半徑為150mm的圓上，二層正八邊形的8個(gè)角點(diǎn)均位于半徑為260mm的圓上。該模型的4個(gè)支座，均位于半徑為460mm的圓上。以上結(jié)構(gòu)布置完全滿足模型的尺寸界限要求。

圖1 剛架結(jié)構(gòu)模型

2.2 構(gòu)件截面選擇

構(gòu)件截面形式，一般有箱形截面三角形截面圓形截面工字型截面和T形截面等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其用途和受力特點(diǎn)來選擇[2]，如圖2所示。

圖2 構(gòu)件截面形式

箱形截面構(gòu)件的最大優(yōu)點(diǎn)，是抗扭能力大,但耗竹材量較大，制作有一定難度，粘結(jié)時(shí)需將腹板壓在翼緣板上，構(gòu)件放置位置要準(zhǔn)確，也可在桿件內(nèi)部增加橫肋以提高其強(qiáng)度。

三角形截面構(gòu)件拼接難度較大，長(zhǎng)度較小時(shí)可做受壓構(gòu)件，長(zhǎng)度較大時(shí)抗彎性能較差，因?yàn)槿切蔚姆€(wěn)定性，所以大部分情況下用于固定。

圓形截面構(gòu)件涂膠要均勻，制作難度大，盡量采用0.20mm竹皮制作，否則構(gòu)件容易產(chǎn)生裂紋。

工字型截面構(gòu)件，是一種斷面力學(xué)性能更為優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)型構(gòu)件：其翼緣寬，側(cè)向剛度大[3]?？箯澞芰?qiáng)；翼緣兩表面相互平行，使得連接制作安裝簡(jiǎn)便；與實(shí)心結(jié)構(gòu)相比，工字截面結(jié)構(gòu)，可增大6%的使用面積，且結(jié)構(gòu)自重減輕20%～30%，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力； 工字桿件還可加工成T形桿。

3 模型制作工藝

3.1 桿件

該組模型所使用的桿件，主要為箱形桿T形桿和工字桿。在構(gòu)件制作過程中，需要對(duì)桿件進(jìn)行分類編號(hào)，并針對(duì)不同種類桿件制作的難易程度主次要等特點(diǎn)，合理安排每個(gè)人在一定時(shí)間段內(nèi)的任務(wù)?？紤]到手工誤差的影響，每種類型的桿件，要額外多制作1～2根。

該次模型制作的箱形桿，主要用于承重結(jié)構(gòu)，考慮到手工影響和膠水是否涂抹均勻的誤差，所以采用“壓片式”設(shè)計(jì)，如圖3所示。這種設(shè)計(jì)思路，增加了竹片之間的接觸面積，涂膠時(shí)減少了縫隙存在的可能性。

采用T形桿和工字桿，主要是為了減輕模型的重量，其制作工藝較簡(jiǎn)單。

圖3 壓片式箱形桿

3.2 模型拼裝

拼裝模型，是將“構(gòu)件”裝配成“結(jié)構(gòu)”的關(guān)鍵步驟。當(dāng)荷載作用到模型上時(shí)，各種力匯總到結(jié)點(diǎn)，受力情況復(fù)雜，所以模型裝配要仔細(xì)。該組模型，采用“從上到下，先整體后局部”的思路，待模型的上半部分工作完成之后，使用鉛錘等工具輔助，完成其他部分的裝配。

在模型的每個(gè)面層拼裝過程中，為保證構(gòu)件之間貼合緊密，在白卡紙上提前用鉛筆畫出模型的輪廓。拼裝時(shí)，使每個(gè)構(gòu)件與其在白卡紙對(duì)應(yīng)的輪廓線相契合，按順時(shí)針方向在結(jié)點(diǎn)處均勻地涂抹膠水。層與層之間組裝時(shí)，借助自行制作的支筒，以保證模型在組裝過程中不發(fā)生大幅度的偏移。模型組裝過程中，盡可能地使構(gòu)件之間無縫連接，誤差過大的構(gòu)件重新制作，結(jié)點(diǎn)之間的縫隙在誤差允許范圍內(nèi)，根據(jù)具體情況進(jìn)行填充處理，如圖4所示。

圖4 拼裝后模型上部結(jié)構(gòu)

3.3 結(jié)點(diǎn)處理

結(jié)點(diǎn)處理中，主要用到了剛接榫接。剛接，即將各構(gòu)件的連接面削平打磨后，直接利用膠水粘合。剛性連接的優(yōu)點(diǎn)，是任何形狀的結(jié)構(gòu)都可以用膠水連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)省時(shí)間。榫接，即通過構(gòu)件之間多與少高與低長(zhǎng)與短之間的巧妙組合，構(gòu)件之間的結(jié)點(diǎn)以特定結(jié)構(gòu)相吻合，將兩構(gòu)件組合成整體的一種連接方式。榫接有效地限制了構(gòu)件之間向各個(gè)方向的扭動(dòng)，減少了膠水的用量卻使結(jié)點(diǎn)更加牢固。在模型制作中，還常對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行一些加固處理，如加腋加T型貼片弧形貼片，用竹皮包裹等，如圖5所示。

圖5 榫接處理

4 理論驗(yàn)算

方案設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過abaqus軟件電算，分析得到模型的應(yīng)力圖，通過分析加載過程中模型的最不利位置的變化，并結(jié)合賽題要求將結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

從MISES應(yīng)力云圖可以看出：加載點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；二級(jí)橫向加載點(diǎn)處應(yīng)力分布復(fù)雜，模型設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)此結(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固；支座處應(yīng)力較大，加強(qiáng)支座的連接與固定，如圖6所示。

圖6 三級(jí)加載完成后的應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

結(jié)構(gòu)選型至關(guān)重要，一個(gè)完整模型的設(shè)計(jì)需經(jīng)過結(jié)構(gòu)輪廓的選定和細(xì)部構(gòu)造處理兩大步驟。構(gòu)件的細(xì)部處理，可以確保結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，在保證加載成功的情況下，使模型作用的構(gòu)件自重最小。比賽競(jìng)爭(zhēng)不僅是專業(yè)知識(shí)和模型質(zhì)量，更是對(duì)個(gè)人毅力和勇氣的考驗(yàn)。后期模型改進(jìn)過程中，為了使構(gòu)件達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的效果，需要制作許多模型進(jìn)行試驗(yàn)；需要在一次次失敗中發(fā)現(xiàn)模型的缺陷，在每次失敗后仍能不懈地堅(jiān)持下去，需要團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員強(qiáng)大的毅力與協(xié)作精神。學(xué)生還需要自學(xué)AutoCAD繪圖軟件，ANSYSABQUS等有限元分析軟件，Word文字處理軟件，Excel表格軟件等。這些軟件需要學(xué)生慢慢摸索，在發(fā)現(xiàn)問題解決問題中積累經(jīng)驗(yàn)。在這個(gè)過程中，學(xué)生研究問題解決問題的能力會(huì)不斷提高。此外，比賽還需要掌握許多跨專業(yè)的知識(shí)，這些都需要學(xué)生自己查閱資料，自主學(xué)習(xí)。只有綜合運(yùn)用這些知識(shí)和技能，才能為做出一個(gè)好的模型提供保障，才能更高效率地解決問題。