大学生结构设计竞赛命题方法探讨

李春宝，程旭东

摘要：为培养适应社会发展的土木工程专业创新型高素质人才，各高校和地区开展了大学生结构设计竞赛活动。选取一套接近实际结构、合理新颖的建筑结构模型设计题目有利于大学生深入学习本专业的知识，激发大学生的创新思维，培养大学生的团队协作能力。本文介绍分析了国内主要高校举办结构设计竞赛所采用的题目、结构形式、材料、加载方式、计分方法以及比赛规则等，进而总结出了一套合理新颖的“大学生结构设计竞赛”题目。

关键词：结构设计;竞赛题目;结构选型;材料;加载方式

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2014）41-0103-03

大学生科技创新活动不仅要求大学生创新，还需要出题者对题目进行创新。结构设计竞赛是一项充满挑战欲、创造性的科技竞赛，主要面向在校大学生。这种科技创新活动的主要目的是培养学生的团队概念，在活动中学生互相交流共同学习，从各个方面促进学生动手能力和创新思维的培养。大学生科技创新活动中的材料力学、桥梁工程、结构试验等课堂理论基础知识可以通过结构设计竞赛的形式与实际工程相结合，从而培养学生的设计和计算能力。这项竞赛得到了教育部的重点支持。国内许多一流高校都积极筹办此类比赛，并且通过高校间互相交流合作的方式促进这种竞赛不断升级发展，响应教育部的号召。所以目前此项比赛已经成为国内著名高校中土木专业的传统赛事。本文将国内主要高校举办结构设计竞赛所采用的题目、结构形式、材料、加载方式及计分方法等进行了分析介绍，以期为大学生科技创新竞赛的发展做出新的贡献。

一、结构选型

不同的竞赛对结构的受力要求各不相同，如高层结构、桥梁、屋架、塔吊等，结构体系需视具体情况分析选择。在结构设计竞赛中最能体现创新的地方是结构体系的创新，可充分发挥学生的想象力。西南交通大学第八届结构设计竞赛采用的是高层建筑模型设计和桥梁模型设计两种结构，华中科技大学第三届大学生结构模型设计竞赛采用的题目是大跨度屋盖结构模型设计，浙江工业大学第七届大学生结构设计竞赛采用的题目是自立式塔吊结构模型设计，首届全国大学生结构设计竞赛和中国石油大学第一届建筑结构模型设计竞赛采用的题目均为高层结构模型设计（见图1），此题目充分展示和发挥了建筑工程专业学生的专业水平，通过此次竞赛实践活动证实了该结构选型是一种较为合理的结构选型。

二、模型材料

模型的合理设计需要建立在对材料充分认识的基础上，因此，正确认识材料性能是做好模型的关键。目前，国内高校的模型竞赛采用的材料主要有木材、纸、竹材、有机玻璃及废弃的饮料瓶等材料，但大多数高校比赛使用的材料是模型专用木材，并辅以502胶水或乳胶。如，西南交通大学第八届结构设计竞赛、南京林业大学结构模型创新设计竞赛、中国石油大学第一届建筑结构模型设计竞赛均采用木材作为模型结构的主要材料。这里主要讨论一下模型专用木材以及由这些材料制作的杆件以及他们的连接。之所以考虑采用木材，是因为相对而言木材具有较强的抗拉、抗压强度和刚度，其抗拉与抗压强度相近，与实际工程采用的钢材材料性能相似，并且木材易于切削、加工和粘贴连接。木杆之间的连接可参照某些钢结构的构造。铰节点，两杆之间轴心受力，允许存在一定程度的转动，不能传递弯矩，杆件方向在正交情况下，可以通过搭接并施加压力，使力传递。刚节点，要求传递剪力与弯矩，可通过使用适量胶粘剂的途径，使节点的刚度远大于杆件的刚度。结构的破坏不但会造成整体失稳，还会使构件中的木材屈服，或木材产生超过比赛规定的变形，所以需要参考材料的性能对结构进行简单的计算分析。比赛过程中需要计算模型的内力，可是学生一般不具备精确测量的仪器，普通的超静定结构，杆件的相对刚度影响内力分配，如木材受弯杆件的EI，受拉杆件的EA，以下提供几个简便的实验确定这两个参数。制作简支梁模型（见图2），在跨中加荷载P，测量中点处的位移Δ，由此可通过以下公式算出抗弯刚度EI。

EI=PL3/48Δ

同样，杆的EA值可通过受力以后线的伸长量来进行测量。（见图3）

EA=（P2-P1）L/（Δ2-Δ1）

即使上述实验提供的数据精度有限，不过一般情况下，在进行简单实验时可提供可靠的数据用于计算分析。如果条件允许，也可精确测量材料的本构关系用于计算分析。经过多次的模型试验结果及多方面因素的综合考虑，可知木材适合作为模型设计竞赛的首选材料。

三、加载方式

根据结构选型的不同，采用的加载方式也不尽相同，即使取用同一种结构形式，也可以选用不同的加载方式。按照加载方向划分有竖向加载和水平加载，按照加载动静可划分为动荷载、静荷载和冲击荷载，亦会有与前两种的相互组合加载。以福建省第一届大学生结构设计竞赛为例，采用的是桥梁结构模型（见图4）。

相应的加载方式包括竖向荷载和水平移动荷载，具体加载程序及操作步骤如下：（1）参赛队员将模型安置在试验装置上，在安置模型的同时，由一名参赛队员向评委和观众介绍参赛作品，然后回答评委提问，时间控制在3分钟内。（2）由参赛队员在模型一端放置第一次加载重量的小车，并开始牵引小车匀速缓慢通行，当第一辆车行驶到离出发点为1米时，第二辆车开始启动。每当小车到达模型较大跨跨中（如两跨相同，则为行驶方向第二跨）时，小车停止10秒钟，量测位移，然后再继续匀速缓慢通行。（3）若第一次加载成功，参赛队可选择第二次加载重量，并以同样方式完成第二次加载试验。整个加载过程的总时间不得多于150秒，最后以通过的最大加载重量计分。在加载过程中，如果出现下列任一情况，将视为加载失败，退出加载试验：（1）模型跨中的最大竖向位移越过规定的限值（20mm）。（2）因模型主要构件出现失稳、结构变形过大和破坏等本身原因，使小车滑落或使小车除车轮外的其他部分与桥面板或桥梁的其他构件接触。

中国石油大学第一届建筑结构模型设计竞赛的加载示意图（见图5）。

相应的加载方式包括竖向静荷载和水平冲击荷载，具体加载程序及操作步骤如下：基本竖向静荷载设计值为7.5kg。加载底板采用钢板，平面尺寸为直径300mm圆板。加载共分3次完成，从第一次到第三次各加2.5kg。每次加载后目测变形稳定后再加下一级荷载。静载施加完毕后，再加水平动荷载，水平动载分0.5kg和1kg两个级别，两层结构需在两层上分别设置动载加载点，三层结构需在三层上分别设置动载加载点。施加动载时应将小球提高300mm，然后使其自由下落，在弹簧带动下，小球将做往复的衰减运动，以达到对结构施加往复的水平动载之目的。静载、动载均加载完毕后方可视为加载成功。加载由本模型制作者完成。继汶川地震之后，水平地震作用对构筑物的破坏进一步引起了我国工程界及科研机构的重视。中国石油大学第一届建筑结构模型设计竞赛在国内高校首次将水平地震作用模拟到结构模型竞赛中去，加深了大学生对地震作用对构筑物产生破坏作用的感官认识，提高了大学生参加科技创新活动的积极性和创造性。

四、计分方法

各高校对于模型设计竞赛采用的计分方法基本相同，而且这种方法也比较公正。现以中国石油大学为例简述如下：根据结构造型、理论分析、陈述答辩和加载试验4个方面进行评审，总分为100分。前三项共35分，由评委根据结构模型实物、理论分析计算书给分，参赛队员的陈述答辩现场给分。第四项65分，由承载能力以及模型的质量、规格等因素综合而定。模型高度和材料不符合竞赛要求的，或参赛过程中有其他违规现象的将不进入加载试验阶段。重点说明第四项计分方法：若模型在某级加载试验中出现破环，则认为该级加载失败，退出加载试验，该项为0分。在所有加载成功的组队当中，首先按照模型质量由轻到重进行排名，排名第一的为满分，即65分，第一名之后的其他组队分数计算方法为下面公式：A=B×65/C，其中A为加载得分，B为最轻的加载成功模型质量，C为加载成功需计算分数的模型质量。

通过以上论述，对国内结构模型设计竞赛的结构选型、材料选取、加载方式以及计分方法等进行了分析和介绍，总结出了一套较为合理、新颖的结构模型设计竞赛题目。笔者认为，教师要克服墨守成规的命题模式，要抓住机会培养学生快速学习新知识的能力，发挥学生的创新应用能力。

参考文献：

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