渡槽支承系统结构模型性能优化及试验研究分析

廖玉凤 敬德磊 张泽林 郭小萍 江昕宇

【摘 要】本文基于全国大学生结构设计竞赛赛题——“渡槽支承系统结构设计与制作”，进行渡槽结构模型的设计方案优化。通过有限元软件Midas/Civil分析及结构模型加载试验，探讨渡槽支承系统中桥梁结构模型优化设计。

【关键词】渡槽支承；结构模型；优化设计

中图分类号：TU323 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0107-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.051

1 賽题背景及分析

赛题内容为制作渡槽支承系统结构模型并进行输水加载试验。模型结构形式不限，支承个数不限，所有杆件、节点及连接部件均采用给定材料与胶水手工制作完成；输水管可捆绑、吊挂或搁置在模型上，只允许使用给定材料连接，不得直接使用胶水粘结输水管；支承系统结构模型用于支承输水管，可以自行选定输水路线，但必须经过两个指定的灌溉点。材料为本色复压竹材，共提供了6种规格，给定了竹材的参考力学指标。但是竹材材性变异大，且抗弯强度一般比抗压强度大[1]，制作的模型中受弯构件是普遍存在的。实验室购买的竹材力学性质存在一定的差异，制作模型时选用颜色深、力学性质好的竹材，以材料的实际力学性质为准。

2 试验方案和结构选择

本次试验选择桥梁结构和柱相结合的方案，在无承台处选择桥梁结构，在有承台处选择柱作为支承结构，输水管自然放于桥和柱之上。桥跨结构的纵梁选择张弦梁和桁架的组合形式。张弦梁是一种由下弦柔性拉索与上弦刚性压弯构件通过撑杆连接形成的结构体系，常用于大跨度屋面结构[2]，同时具有承载能力高，荷载作用下变形小的特点。本试验中连接上弦与下弦的撑杆采用竖杆和斜杆相结合的方式，竖杆和斜杆在下部相连于一点，上部支撑受弯的纵梁，与纵梁构成桁架体系，纵向两撑杆之间通过撑杆下端横向杆件连接，保证了两个方向的稳定性。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

通过改变桥梁结构和柱形式，共进行了10次加载试验，选取其中两次加、卸载都成功的试验数据如下：模型1、2总质量；桥跨结构质量及荷重比分别为251g、182g；114g、63g；19.48N/g、2.692N/g。

3.2 桥跨结构受力分析

桥跨结构是整个结构模型中主要承重部分，现重点分析其受力情况。桥跨结构除受自身的重力外，主要承受其上输水管重力及管中水的冲击作用，其中水的作用是最主要的作用。本次试验中的桥跨结构为多次超静定结构，采用有限元分析软件Midas/Civil做受力分析。结构中各杆件节点处按刚接处理，上弦压弯构件为梁单元，下弦拉索为索单元。输水管重量和静水荷载按分布力考虑，计算时将水流静荷载乘以 1.2 的动力放大系数转换为动力荷载进行分析[3]。

3.2.1 模型1受力分析

桥跨结构模型1如图1所示。模型1的应力云图如图2所示，图中结果显示梁和柱的应力都较小，拉、压应力都未超过5N/mm，撑杆中的最大压应力为11.9N/mm，最大拉应力为4.5N/mm。下弦的最大拉力为22.3N，最大拉应力为5.6N/mm，应力值较小。纵梁跨中的最大位移仅为1.1mm。

在试验时桥跨结构较稳定，几乎无变形，软件计算结果与试验较符合。模型1的桥跨结构还未充发挥

材料的性质，有较大的优化空间。

3.2.2 模型2受力分析

由模型1观察到桥跨结构在加载时较稳定，变形小。模型2中的桥跨结构以模型1为基础，减小纵梁和柱的截面尺寸，纵梁仅为提供的1mm×6mm的竹条（实际尺寸为1.7mm×6mm），抗弯能力很小，并去掉部分的竖杆。桥质量由115g降为63g。预计桥跨结构会有较大的竖向位移，对纵梁进行预拱。模型2如图3所示。

模型2的组合应力如图3所示，随着各结构杆件的截面面积的减小，模型2相对于模型1的模型，组合应力相应变大。模型2中的纵梁在靠近斜柱的部位出现应力峰值，应力值较大；撑杆中也出现应力较大杆件。下弦的最大拉力为34.0N，最大拉应力为5.7N/mm。在纵梁的抗弯能力变小后，下弦的拉力变大。纵梁的最大竖向位移出现在跨中截面，为4.7mm，相比模型1，纵梁的竖向位移增大较多。

软件计算结果显示，在图4箭头所指的结构单元是整个纵梁中受组合应力、剪应力和弯矩都较大单元，是模型受荷时较危险的单元。模型中此位置可能会发生破坏，考虑结构的安全，应加强处理。

4 结论

基于上述试验加载和理论计算分析结果，得出渡槽支承系统模型性能优化的一些心得如下：

（1）试验中，由于水管路线的改变，桥跨结构是整个模型中承受荷载时间最长的部分，受力情况复杂，尤其是在加、卸载阶段，这要求结构在多个方向都有足够的承载力、稳定性及刚度；

（2）为提高总体模型输水率，桥面可设置预拱度，设置预拱度时应考虑到竹材本身的弹性，卸载时桥面会有一定的回弹。此外桥两侧应设置适当高差，当预拱度过大或过小时，可减小输水损失；

（3）由于材料本身的性能差异以及制作工艺误差，软件分析无法准确模拟结构实际受力情况，故结构设计时不能完全依赖软件，仅起辅助设计作用。本次试验中，借助软件模拟模型受力，有助于加快设计进度，优化结构，指导材料使用，让实际模型的材料使用更充分合理。

（4）水管能否满载与模型整体坡降设置有关，而坡降又影响柱间距，从而影响支撑数量及材料用量。坡降起始位置支撑柱高度过高，坡降持续距离过长，结构将无法满载，而坡降过小，即水管过于平缓，为满足输水率，需减小支撑之间的距离，以降低水管挠度，减小输水损失，但材料用量增大。故坡降、柱间距、材料用量间存在一个平衡点，可进一步进行深入研究。

【参考文献】

[1]杨中强，祝频，黄世能，赵霞，罗建群.8种丛生竹竹材物理力学性能研究[J].广东建材，2011，27（06）：129-131.

[2]刘强.大跨度张弦梁结构的静力性能研究[D].华南理工大学，2012.

[3]马肖彤，金建辉，戚海冕，韩威.结构设计竞赛中渡槽支承系统模型设计与制作[J].科技视界，2017（12）：58-59.