四川省大学生结构设计竞赛探析

杨灯　韦涛　黄巍

摘要：文章根据四川省首届结构设计竞赛桥梁工程组的竞赛细则，结合对材料的性能分析，通过方案构思、结构选型、结构建模、受荷分析和模型制作五个方面，介绍了三跨连续桥梁承重模型的结构设计和模型制作方法。

关键词：结构设计竞赛；三跨连续桥梁；承重模型；模型设计；模型制作 文献标识码：A

中图分类号：TU318 文章编号：1009-2374（2015）05-0193-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0428

为深入推进土木工程人才培养模式改革，培养大学生的创新思维和实际动手能力，增强大学生工程结构设计与实践能力，促进四川省高校大学生相互学习和交流。在2014年11月中旬如期举办了“2014首届四川省大学生结构设计竞赛”，这是继全国大学生结构模型设计竞赛之后，四川省高校土木工程专业学子的又一次重大赛事。竞赛由四川省教育厅主办，西南交通大学承办。竞赛题目为“三跨连续桥梁结构承重竞赛”，要求设计自重在一定范围内且有较大承载能力的桥梁模型。首届四川省大学生结构设计竞赛的成功举办具有里程碑的意义。

1 竞赛细则

竞赛组委会统一提供PVC塑胶板（2mm厚）、铅发丝线、橡皮圈、白卡纸和AB胶三种材料，各参赛队设计、制作模型仅限于使用以上材料。其中软质PVC塑胶板：厚度2mm，用于制作结构构件；铅发丝线：用于模拟悬索桥的主缆和斜拉桥的拉索；橡皮圈：为斜拉桥的拉索和悬索桥的主缆提供弹力；白卡纸：仅用于模型桥面的制作。结构模型的总重量不超过1000g，对加载成功的模型根据荷重比和挠度综合算分排名。桥梁的类型不限，但必须保持主梁和桥面为连续的，模型的纵桥向长度要求在区间（1770，1790）mm范围内，横桥向宽度要求在区间（200，250）mm范围内，桥面纵坡控制在3.0%。模型桥面以上须保证不小于宽200mm×200mm的桥面通行净空，以用于移动小车加载。模型加载实验平台共设置4个支座，位于一条直线上，两端支座中线水平间距为1770mm，2个中间支座可以左右移动，可以升降，支座均可为模型提供竖向约束和水平约束，但不提供转动约束。模型各跨中需设集中荷载吊点施加静荷载，小车移动荷载停在最不利跨中，总承重26kg，荷载值达达260N。

2 主要材料性能分析

PVC板属于正交异性板，弹性模量E=1.5～15MPa，取样板长60.1cm，宽15.2cm的PVC板，称其质量为85g，通过计算其密度大致为465.2kg/m3。通过简单的实验发现，沿顺纹方向裁剪PVC板所得杆件强度高，可以达到最高强度30MPa左右，适合做拉压杆构件，而垂直于顺纹方向强度很低，不适合作为结构主要构件；白卡纸质量轻且强度高，但单层纸张稳定性不好，所以用白卡纸制作桥面时需要解决其稳定性的问题；铅发丝线属于柔性材料，适用于制作斜拉桥和悬索桥的拉索。

3 方案构思

根据竞赛的基本竞赛规则：在一定的材料下制作桥梁，如果所设计的桥梁在满足加载的情况下品质较轻且变形小即可以获得胜利，当然还要考虑创新性、美观性等其他附加条件。实际工程中要求建筑具有“安全性、适应性、耐久性”，基于竞赛规则和实际工程特点，队员们提出了“轻质高强、安全可靠、精致美观”的设计理念。围绕着这个设计理念对整体方案的设计进行了构思，主要步骤为：（1）根据大赛尺寸要求，初步确定桥梁的跨度，高度和宽度；（2）根据以往经验和资料分析，进行结构选型，设计出满足要求的桥梁大体模型；以实际情况为准，设计尺寸，提取出计算简图；（3）利用SM-solver和sap2000等软件绘制出模型效果图，对结构进行加载模拟，进行受力分析，计算出各梁、杆件的轴力、剪力和弯矩等，验证结构是否满足承载力要求、刚度要求和稳定性要求；（4）进行模型的实际制作，检验模型结构设计的合理性。

4 结构选型

4.1 整体选型

结合本次竞赛的各材料的性能对斜拉桥、悬索、拱桥、桁架桥、梁式桥进行了比较分析，分析发现用于大跨度桥的斜拉桥和悬索桥虽然质量可以很轻，但在较大的荷载作用下会产生较大挠度和振动，虽然铅发丝线抗拉强度高，但PVC板做成主塔抗压也不太合适，这两种桥型不是最好的选择；拱桥承载力高，但对材料的抗压要求也很高，在施工上PVC板不宜制作拱圈，使用不当会浪费很多材料；梁式桥承载能力强，但跨中弯矩大，不易控制其跨中挠度；桁架桥稳定性好，刚度大，适合与其他桥型组合运用。综合考虑结构强度、刚度、稳定性等要求以及材料的最省原则，分析后决定采用梁式桥和桁架桥的组合体系。它既具有梁式桥承载能力强的特点，又具有桁架桥刚度大的特点，并且自重也很轻，两者结合可以充分发挥材料性能，达到轻质高强的目的。

4.2 桁架选型

为尽量节省材料，将桁架设置在纵梁的下方，做成上承式结构，这样桥面就具有足够的空间，考虑到中间梁跨中部有集中荷载，并且集中荷载较大，为均匀分布力，选择力——横梁——纵梁——桁架和支座的传力路径。根据材料抗拉性能强的特性，选择的桁架要尽量使受拉杆件多一些，受压杆件少。通过缜密思考和大量实验，决定下部桁架只设置在两根边梁的下方，中间梁跨中点采用用塔式支撑的办法，将集中荷载均匀地分散到两边桁架，以达到均匀受力的效果。这样的桁架形式不仅充分节省了材料，并且具有很强的承载能力，模型刚度大，稳定性好。

5 结构建模

对于支座的布置，通过软件SM-solver比较分析了等跨和不等跨两种情况，发现不等跨布置优于等跨布置，理想的不等跨布置可以使模型三跨跨中最大弯矩达到等值，使得模型总体受力均匀。模型采用三根连续纵梁，对于纵梁的截面形式，比较分析了T形、三角形和箱形截面，最终根据受力和施工等方面的综合考虑，决定采用高宽比为2∶1的箱形截面，其他的拉压杆件基本采用矩形截面形式。值得一提的是中间塔式支撑的压杆，充分利用了PVC板的正交异性，采用T形截面，具有很高的抗压能力和稳定性。

6 受力分析

在结构建模的基础上，结合构件的计算参数，利用软件sap2000，模拟施加三期荷载，检验模型是否满足要求。其中，一期荷载为各跨中30N恒荷载和80N小车的移动荷载；二期荷载将静荷载增加至各跨中60N；第三期荷载是在二期荷载的基础上施加振动荷载。通过模拟，绘制出结构模型内力图和变形图。结合所得的数据，经分析认为该模型结构整体受力均匀、承载能力强、刚度大、稳定性好满足变形和抗振的要求。模型整体质量为700g，整体挠度最大值不超过1mm。结果充分说明了模型的可靠性，满足“轻质高强、安全可靠”的设计理念。当然，通过软件模拟的结果和实际结果可能会有不一致，误差主要来自于计算的假设上，比如软件模拟时桁架的各节点是完全铰接，但在实际的模型制作中是不能实现完全铰接的。

7 模型制作

竞赛的模型制作时间要求控制在20h之内，这给每个参赛队伍都带来了不小的挑战，怎样在限定的时间内完成杆件的裁剪与粘接、模型的组合等工作，成了必须要思考的问题。在此模型制作过程中，值得一提的是节点的制作和桥面的制作两方面，这也是本次模型制作中的两大特色：（1）节点制作：拉杆与纵梁的节点处，预留拉杆90mm长的一段不涂胶水，因此，本来一根矩形拉杆就可以在90mm一段距离内分成两部分，将其粘接于主梁上，粘接相当牢固，也充分节省了材料。杆件汇集的节点处通过精心设计，达到无缝粘接的效果，外部采用心形贴片，增强了模型的美感，达到了精致美观的效果。（2）桥面制作：横梁间间距大，如果单用白卡纸制作桥面，则桥面刚度和稳定性难以得到保证，小车通过时容易产生凹陷，使得小车不能顺利通过，所以在横梁上布置了三条纸带，并施加了预应力；在横梁间的纵梁上布置小型衬垫，使之与横梁平齐。通过这两种方式的结合，在保证桥面刚度和稳定性的前提下节省了不少材料。通过近19h的努力制作，最终提交了一份满意的答卷。整个竞赛过程中团队成员相互鼓励，配合默契，虽然辛苦，但是心里感觉很踏实。

8 结语

此次结构设计竞赛我们紧紧围绕“轻质高强、安全可靠、精致美观”这一设计理念展开，并且达到了这样的要求。模型在实际加载过程中，取得了很好的成绩。一期加载挠度值为0.9mm，二期加载挠度值为1.3mm，满足振动荷载要求，检验了模型设计的正确性。

这次竞赛培养了参赛选手的创新思维和实际动手能力，增强了学生在工程结构设计与实践能力，在团队协作方面有了很大提高。在模型交流会中，各高校学子共同探讨，收获颇多，同学们思维的活跃性和创新性值得赞赏和学习。

首届四川省大学生结构设计的成功举办，为四川省下一届结构设计竞赛做了良好的铺垫，结构设计竞赛今后会有长足的发展，也为川内学子参加全国结构设计竞赛提供了一个很好的平台。

参考文献

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[2] 滕家骏，沈平.现代桥梁建筑设计[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 于洋，姜峰，司炳君，檀永刚，等.关于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法[J].科技咨询，2007，（18）.

[4] 戴洁.结构设计大赛之桥梁模型设计[J].广东交通职业技术学院学报，2008，（10）.

作者简介：杨灯（1993-），男，四川泸州人，就读于四川农业大学土木工程学院，研究方向：桥梁结构；韦涛

（1994-），四川泸州人，就读于四川农业大学土木工程学院，研究方向：桥梁结构；黄巍（1993-），男，四川南充人，就读于四川农业大学土木工程学院，研究方向：桥梁结构。

（责任编辑：王 波）