韓愛紅 程遠兵 肖嘉辰 陳記豪 楊清華
(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)
河南省第九屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽以大跨度空間結(jié)構(gòu)為背景,通過方案設(shè)計、分析計算、模型制作、現(xiàn)場答辯和加載試驗等系列過程,以達到培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新精神和團隊意識,為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供一個很好的平臺[1]。本文從結(jié)構(gòu)選型、荷載傳遞分析和結(jié)構(gòu)模型設(shè)計、細部構(gòu)造和模型制作等備賽的各個方面進行了系統(tǒng)闡述,為結(jié)構(gòu)模型設(shè)計提供參考。
在滿足承載力前提下,盡量減輕模型的重量,結(jié)構(gòu)選型時,需要遵從以下原則[2-4]:
(1)主要受力構(gòu)件或子結(jié)構(gòu)布置在加載點處,以達到傳力直接、傳力途徑短的目的。
(2)節(jié)點連接牢固,做到強節(jié)點強錨固。
(3)桿件截面受力均勻,剛度易于控制,由于有沖擊荷載和撞擊動荷載,因此模型的剛度應(yīng)有一個合適的值,不易剛度太大,從而避免硬碰硬導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。
(4)穩(wěn)定性好。采用了柔性拉條來控制主要節(jié)點的位移,提升結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
(5)模型簡潔,便于制作。
結(jié)合結(jié)構(gòu)選型原則,考慮到結(jié)構(gòu)模型材料性能和結(jié)構(gòu)荷載的特點,初步選擇了四榀橫向剛架和縱梁的模型方案(見圖1),模型重量200 g左右。為降低模型重量,把四榀橫向剛架優(yōu)化為兩榀橫向剛架,減少了桿件數(shù)量,極大地降低了模型重量,最終模型重量125 g左右,有效地提高了結(jié)構(gòu)承受荷載與模型重量的比值(荷重比),實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模型承載能力高、剛度合適、質(zhì)量輕的目標(biāo),優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。
圖1 最初模型(實體圖)
結(jié)構(gòu)模型整體由縱向主桁架,兩榀橫向主剛架,獨立柱和拉條等四部分組成,模型的俯視圖。
2.1.1 縱向主桁架
縱向主桁架在一級荷載工況下為單跨兩端外伸梁,一級荷載加載點分別作用于跨中及兩端外挑部分。二級荷載時,縱向主桁架起到緩沖和向遠端傳力的作用,同時維持結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。三級荷載時,縱向主桁架可承擔(dān)部分結(jié)構(gòu)整體扭矩。
圖2 最終模型(實體圖)
2.1.2 橫向主剛架
此橫向主剛架為兩榀,分別由6 mm×10 mm的主剛架拉區(qū)和8 mm×12 mm的主剛架的壓區(qū)斜腿半剛架組成,下部通過拉條來限制剛架節(jié)點的相對變形。此橫向主剛架位于三級荷載的作用面內(nèi),主要抵抗三級荷載;在一級二級荷載時,支承縱向主桁架,并將荷載傳遞給底板。
2.1.3 獨立柱
在端部鋼板的下掛點處設(shè)置,共四個,獨立于主體結(jié)構(gòu),主要抵抗二級荷載。
2.1.4 拉條
根據(jù)變形控制需要設(shè)置的拉條。
(1)構(gòu)件均設(shè)內(nèi)波紋肋的矩形空心截面,以獲得較高的承載力和局部穩(wěn)定性。構(gòu)件節(jié)點均采用局部貼片加強連接,以提高節(jié)點剛性。
(2)一級荷載加載點采用竹皮吊環(huán)懸掛,同時能起到二級、三級荷載時的搖擺減震緩沖作用。
(3)二級和三級荷載的沖力較大,在主桁架二級荷載加載點和三級荷載加載點處設(shè)置緩沖圈。
(4)獨立柱柱頂滑槽、緩沖圈和蒙皮結(jié)構(gòu)。獨立柱在二級加載時產(chǎn)生的剪力非常大,因此在獨立柱外側(cè)貼一層竹皮板(蒙皮板),起到耗能和提升側(cè)向剛度的作用。
模型制作過程中,需要特別注意以下幾個方面:
(1)竹皮材料的基本性能介紹和外觀檢查,選擇好的桿件原材料是最基礎(chǔ)的,切忌選擇竹節(jié)多的竹皮,一般采用0.5 mm厚的竹皮做受力構(gòu)件,0.35mm厚的竹皮做拉條,0.2 mm厚的竹皮做構(gòu)件的外部環(huán)繞加強比較合適。
(2)竹皮的裁剪和打磨,拉條的制作。
(3)直桿竹皮構(gòu)件制作方法(內(nèi)部加橫向墊片、縱向墊片、波紋片),制作完成后外部可以環(huán)箍加強或者螺旋箍加強。
(4)斜桿竹皮構(gòu)件制作方法(斜角的處理:一種是直桿切角打磨;一種是竹皮切角后拼裝打磨),制作完成后外部可以環(huán)箍加強或者螺旋箍加強。
(5)各種耗能構(gòu)件的制作(吊環(huán),緩沖圈,蒙皮板)。
(6)桿件的拼裝,僅僅通過502膠粘一般不能保證節(jié)點的黏結(jié)強度,建議:局部粘貼竹皮加強或局部用磨細竹粉加強。
(7)模型底板安裝,該模型的撞擊力很大,務(wù)必保證模型與底板的黏結(jié),本模型采用增大接觸面來保障。
(8)繩扣的綁法,本次競賽,棉線繩扣可以減緩三級荷載的沖擊,采用雙股繩扣和內(nèi)外繩扣相結(jié)合,非常有效。
(9)注意加載時的小技巧,比如:一級鋼球加載的順序易對稱;二級鋼板盡量前傾;三級剪斷線繩順序等等,都值得實踐和摸索。
本次競賽對學(xué)生掌握所學(xué)理論知識和訓(xùn)練交流協(xié)作能力有很大的幫助,能夠充分調(diào)動學(xué)生們的主觀能動性,做到了寓教于樂。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽可與結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程考核相結(jié)合,改變以前單一、枯燥的考核形式,真正實現(xiàn)“以賽帶教,以賽促學(xué)”的目的,使學(xué)生靈活運用專業(yè)知識,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力、團隊協(xié)作及交流能力。