结构设计大赛在桥梁工程教学中的应用探讨

王金枝

摘 要：以湖北省大学生结构设计竞赛为基础，以提高学生创新能力为目的，结合桥梁工程设计新理论新技术的发展，对桥梁工程的教学内容和方法进行了讨论。提出了结构设计大赛在《桥梁工程》中的应用情况，并提出了今后《桥梁工程》理论和实践的教学改革的措施。

关键词：结构设计大赛 桥梁工程 教学 创新

引言

《桥梁工程》是土木工程专业的一门重要的专业课，它综合了理论力学、材料力学、结构力学、结构设计原理和土木工程材料等课程的相关知识，应用于结构的选型、荷载组合、结构的反力内力应力的求解、结构的强度刚度的判断和应力集中效应等方面。

由于涉及的先修课程较多，要求学生对先修课程的基本知识基本概念有较清楚的认识，从而在桥梁结构体系构造原理和设计计算方法，桥梁设计工作的过程，桥梁的设计荷载及荷载组合等方面的知识点有更好的掌握能力，能更好的应用于实际结构，为桥梁结构的新理论、新材料、新方法打基础。

结构设计大赛是土木类专业性和实践性最强的学科竞赛[1]，是在赛题的要求基础上选择合适的结构形式，进行结构分析计算，制作模型直至模型加载成功，在结构模型从选型到最后加载过程中，都应用到了桥梁工程的相关知识。以2018年省结构设计大赛的指导过程为基础，结合目前《桥梁工程》的教学内容和方法，提出了结构设计大赛在《桥梁工程》中的应用情况，并提出了今后《桥梁工程》理论和实践的教学改革的措施。

一、赛题介绍

2018年湖北省结构设计竞赛赛题要求参赛队设计并制作一个大跨度空间屋盖结构模型，采用竹材为结构材料进行结构设计。

模型构件允许的布置范围为两个半球面之间的空间。在半径为 150mm 和半径 260mm 的两个圆上共设置8个加载点，比赛时将施加三级荷载，第一级是竖直荷载，在所有8个点上施加竖直荷载，第二级荷载在内圈及外圈加载点中各抽签选出2个加载点施加竖直荷载，第三级荷载在内圈加载点中抽签选出1个加载点施加水平荷载，在前两级荷载基础上，施加变方向水平荷载。

二、结构设计大赛在桥梁工程教学内容和方法的应用

1.结构选型

下部三角支撑结构从高压塔架中获得灵感[2]，采用桁架结构，上部拱架结构从刚架拱桥中获得灵感，采用刚架拱结构，采取刚架拱-三角支撑的结构体系。

在《桥梁工程》教学中，重点讲述了桥梁结构的梁、拱和索三大基本体系，梁是受弯构件，拱是受压构件，索是受拉构件，在实际桥梁结构中，或者其它结构中，总可以归结为三大受力体系中的一种或几种的综合运用。在大跨度结构中，则更需要充分利用结构受力的特性，充分发挥材料的力学性能，选择恰当的结构形式。

2.模型尺寸确定

为满足赛题要求的同时，减小模型的用量，提高屋盖结构的承载力[3]，模型设计点紧靠内圈位置[4]，模型内支点设置在半径为435m的半径上，高度设置为420mm，见下图1。 内圈四个点围成一个正方形，截面选用3*3mm竹条，中间十字叉选用6*6*1mm箱形，外圈加载点用1*6竹条连接，内圈四点与外圈四点之间杆件采用6*6*1mm箱形，其余粗杆选用10*10*0.5mm箱形，塔架之间用3*3竹条连接。

在《桥梁工程》教学中，通过分析可知，桥梁跨度越大，所受到的荷载越大，设计和施工的难度越大。因此在允许的情况下，应该尽可能的减小结构的跨度，可以减小结构的受力。在此结构设计中，因為限制了结构的内径和外径，所以模型的跨度应该在满足要求的前提下，尽可能的减小，以减小结构的内力。同时，在教学中，分析拱结构受力的时候，会强调矢跨比的取值对拱结构的影响，矢跨比越小，结构受力越大，矢跨比越大，受力小，但杆件增大，会造成材料的浪费，因此，通过综合比较，应该选取比较合适的矢跨比，内圈四个加载点和外圈四个加载点不同时位于最靠内径的位置，应该将内圈四个加载点适当抬高，增加矢跨比以适当减小内力。

3.荷载组合

由于本次赛题二级荷载是随机抽取的6个荷载工况的一组，三级荷载也有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个加载位置，对应24种静载加载工况。

在《桥梁工程》教学中，结构受到的力在不同的时间承受了不同的力，那么在分析桥梁结构中，不能也不需要把所有的荷载都计算在内，只需要计算出几种极限状态下的受力状态，比较几种极限状态下的受力值，那么桥梁结构在正常使用过程中，其受力状态基本不会超过选取的几种极限状态的值。如本次结构设计大赛赛题，各种二级加载点和三级加载点组合后，如果不能确定哪种工况受力最大，则需要分别算出结构位于各个位置共24种工况下的位移和内力应力分布情况，取其中的最大值进行分析。

4.结构的强度刚度的判断

这里选取一种的一种工况（一级荷载+二级荷载（e）+三级荷载Ⅳ）满载情况下，进行强度刚度的计算。计算得到的位移和应力分别见图2和图3。

竖向位移最大值为2.1mm<12mm，符合要求。由图可知，最大压应力19.8MPa<30MPa，最大拉应力15.2 MPa<60MPa，符合要求。

在《桥梁工程》教学中，结构构件能不能承受重量，需要对结构进行强度刚度分析，主要就是分析其在荷载作用下，抵抗变形的能力以及材料所受应力有没有超过允许值。用结构设计大赛赛题的分析，可以让学生更加领会强度刚度分析的应用情况。

5.应力集中效应分析

在《桥梁工程》教学中，必须会讲到在构件形状、线形变化位置，应力分布不均，会造成局部应力增大的情况，局部应力增大有可能会造成局部破坏，从而影响到整体结构应力重分布，严重的造成整体结构破坏。所以，有可能发生应力集中的位置，通常都需要采取一定的加强措施。

在结构设计大赛中的结构模型中，各个节点就是应力集中点，应该进行局部加强。其中外圈加载点受力最大，也是杆件最多的位置，有五根杆件汇聚于此，此节点为重点处理对象，主要方法是将下端三个杆件按拼接角度削成适当的角度进行拼接，时候在与上部的两个杆件上下拼接，中间的接缝位置再塞进适量的竹片，将上下杆件的缝填满，再用502胶水粘合，再在两侧装上1*6mm的竹条，为了美观，外包0.25mm厚的竹皮。

结语

结构设计大赛的主要任务就是利用结构的知识，综合运用力学和材料的相关知识，对各种结构受力特点有清楚的认识，初定构件的基本尺寸，同时利用结构计算软件进行数值分析，再由初定尺寸进行模型制作，制作完成后进行加载试验，再根据加载结果进行模型的调整和进一步的改进。在整个过程中，都涉及到了桥梁工程的相关知识点，都可以用来作为《桥梁工程》理论教学的教学内容。在教学过程中，以结构设计大赛为基础，能更好地让学生理解各个结构构件的相互关系，选型、节点的位置、杆件截面等参数的变化对整个结构受力的影响。

结构设计大赛是一项具有创造力的竞赛，利用结构设计大赛可以培养学生的创造力，锻炼学生的动手能力和团结合作能力，是桥梁工程理论和实践教学中一种重要的方式。

参考文献

[1]于沐鑫.对于全国大学生结构设计大赛的问题讨论与完善建议[J].建设科技，2017.5：68-69.

[2]刘晓红.大学生结构设计大赛的选型与设计[J].四川建材，2016.7：26-27.

[3]彭梦瑶，曹迪，窦猛，邵俊虎，王乾蕴.结构设计大赛中桁式塔吊模型参数分析[J].四川建材，2017.12：89-91.

[4]刁泽民，陈富廉，李宏涛，黄廷泽.结构设计大赛中的计算机仿真分析[J].电脑知识与技术，2017.8：207-208+248.