大学生结构设计竞赛模型结构设计与优化★

闫 铂 李英俊

(吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118)

全国大学生结构设计竞赛为教育部确定的大学生九大学科竞赛之一。作为土木工程专业创新性和实践性最强的学科竞赛，不仅可以培养大学生创新精神、团队意识而且还可以提高工程实践能力。为迎接第十二届全国大学生结构设计竞赛，第九届吉林省大学生结构设计竞赛暨第十二届全国大学生结构设计竞赛吉林省分区赛于2018年7月在吉林建筑大学城建学院举办。

1 赛题简述

竞赛以《承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作》为题，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，模型构件允许的布置范围为两个半球面之间的空间(如图1所示)，内半球体半径为375 mm，外半球体半径为550 mm。

模型需在指定位置设置加载点并放置于加载台上，先在8个点上施加竖向荷载，具体做法是：采用挂钩从加载点上引垂直线，并通过转向滑轮装置将加载线引到加载台两侧，采用在挂盘上放置砝码的方式施加垂直荷载。在8个点中的点1处施加变化方向的水平荷载，具体做法是：采用挂钩从加载点上引水平线，通过可调节高度的转向滑轮装置将加载线引至加载台一侧，并在挂盘上放置砝码用于施加水平荷载。施加水平荷载的装置可绕通过点1的竖轴旋转，用于施加变化方向的水平荷载。

2 结构选型

结合第九届吉林省大学生结构设计竞赛赛题要求，大跨度空间屋盖结构模型，模型构件允许的布置范围为两个半球面之间的空间，但赛题对于结构体系的选择不作限制，因此给设计方案的选择提供了较大余地。大跨度空间屋盖结构可以采用网架结构、单层/双层网壳结构、悬索结构等。每一种结构形式都各有优点与不足，经过反复试验与优化，最终确定了较为理想的结构体系。

设计方案A：在该设计方案中，考虑采用了三角桁架结构。上部将各加载点用杆件连接，下部支撑结构用立体三角桁架。此模型将众多主要长杆通过桁架拼接简化为长细比较小的短杆，结构稳定，位移小，刚性大，能够承受较大荷载。但该设计方案的最大缺点在于模型质量大，受力较为复杂，杆件较多。经过多次优化，模型质量始终无法达到预期，并且制作较为繁琐，耗时较长。

设计方案B：在该设计方案中，考虑采用了拱形桁架结构。结构简单，该模型腿部结构采用八根单腿并加拉带辅助。加载试验显示，该结构稳定性较好，可以承受期望的荷载。但上部结构较为繁琐，结构上节点较多且连接处容易开裂导致脱落。

定型方案：总结前两种方案的经验，在该设计方案中，采用了更为简单的三角桁架结构。该模型将方案A和B相结合，将上部结构简单优化改进；腿用A字形腿。经过受力分析、节点细化，得出定性方案(见图2)。该方案结构简单、受力清晰、质量较轻，结构更加紧凑，并且稳定性得到进一步提高。加载测试结果表明，该模型能够承受三种工况的荷载，并且挠度满足比赛要求。

3 结构优化

3.1 材料截面的选择

实验表明，对于竹皮做成的构件主要会发生正截面断裂，少部分构件发生斜截面断裂；加载测试表明，由于竹皮厚度不均及手工制作模型时存在误差，削弱了试件的极限承载能力。综合强度和结构重量及各种不可控因素，厚度为0.35 mm的竹皮材料较为适合制作此模型构件。

结构整体根据“强节点，弱构件”的原则[2]进行设计，上盖和柱脚通过胶水粘结并用拉条相连，增强了结构的整体性。上盖为简单三角桁架结构，尺寸由长10 mm、宽5 mm、壁厚0.35 mm的箱型空心杆拼接而成，外侧的8个节点即为对应的8个加载点；4根柱脚采用加横梁的A字形结构，由长10 mm、宽6 mm、高400 mm、壁厚0.35 mm的箱型空心杆拼接而成，结构稳定具有较强的抗弯性能。

3.2 杆件的拼接及节点的处理

节点处的受力较为复杂，属于结构中的薄弱环节。在实际工程中，框架结构节点的强度应大于梁柱结构，结构模型也不例外。节点设计的基本原则是：主要受力结构在节点处保持连续不截断，次要的构件与重要构件保证连接可靠。

对于杆件之间的拼接，我们比较了几种方法，最后采用先将杆件用竹粉进行简单连接，类似于工程中的钢筋混凝土之间的连接；然后采用贴竹条或用薄棉花滴胶的方式进行加固处理(如图3所示)。此种方法操作简单，并且使得模型节点处的刚度大大提高。

对于柱脚节点与铆钉直接连接，可以简化为固定端，即需要特殊加固处理。我们先将棉花垫在柱脚底部，然后放上垫片以增大接触面积，滴入胶水后在连接节点处撒上一层竹粉来增加节点的牢固性。

4 结构受力分析

在物理模型和实物图的基础上，利用Midas Gen定义各杆件的单元属性、材料特性及截面特征，按照赛题所给出的要求来定义荷载形式及边界条件。建立模型，分析模型加载时的受力状态并不断地优化模型结构(见图4)。从模拟结果看，在二三级荷载工况的作用下，A字形腿的中间部位弯矩较大，应做加固处理；三级动荷载会使杆件受力方向发生较大变化，容易发生整体性垮塌。

5 结语

随着结构设计竞赛水平的不断提高，对参赛作品和参赛人员提出了更高的要求。一个优秀的模型作品不仅仅表现在结构选型与制作上，还对学生的创新能力、团队合作及吃苦耐劳的精神提出了更高的要求。