结构设计竞赛模型制作的方法与技巧

周耀 刘毅

摘  要：介绍了结构设计竞赛概况和竞赛用材料与工具。从结构选型、构件设计、模型节点处理三方面，介绍了结构设计竞赛中模型制作的方法与技巧。并针对竞赛中常见问题进行了解析。

关键词：结构设计竞赛;结构模型;模型制作;土木工程

中图分类号：TU318        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0097-02

1 结构设计竞赛概况

土木工程有着悠久的历史，其专业综合性强，涉及学科面广，基础要求高。学科竞赛是培养专业人才创新能力的重要平台。竞赛旨在培养大学生的学习能力、沟通能力、组织能力、团队协作能力、创新能力和实践能力，提升大学生的综合素质，从而进一步提高本科生培养和教学质量。

目前赛事主要有全国大学生结构设计竞赛及各省市大学生建筑结构设计竞赛。对于培养大学生的创新意识、合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质，加强高校间的交流与合作起到重要作用。

结构设计竞赛的内容通常为给定某种材料，要求在规定时间内设计并制作出一个结构，通过加载试验，综合考虑各项因素决出获奖等级。模型材料一般为以竹皮或白卡纸居多，并辅以胶水、线绳等。制作的结构形式有建筑、桥梁等。评分内容一般包含方案设计、理论分析、模型制作、作品介绍与答辩以及模型加载实验等方面。结构加载类比赛，一般在相同加载条件下，结构模型质量轻者获胜或模型加载位移与模型质量综合评判。

2 材料与工具

结构设计竞赛用材料有竹材或白卡纸。本文仅讨论竹材。2018年全国大学生结构设计竞赛竹材规格及用量见表1。竹材参考力学指标见表2。

表2 竹材参考力学指标

制作工具有：502胶水、砂纸、切割刀、直尺、三角尺、量角器、铅笔、橡皮擦、镊子、橡胶手套等。砂纸打磨杆件端部，获得所需要的杆件精确尺寸，打磨杆件节点处接触面以增加接触， 打磨时需谨慎打磨，勿露出竹皮丝状物。铅笔、直尺在竹皮上绘制杆件平面设计图。切割刀切割修剪竹皮。为防止胶水粘手，可用镊子夹持细小构件，使用橡胶手套防护双手，也可以用胶布缠绕指尖。

3 模型设计与制作

模型选型原则为“大胆假设，小心求证”。假设时，须防止赛题示意图的模型束缚思路，也不得被常见模型约束，应勇于借鉴创造。求证时，须运用相关力学知识或软件，进行逻辑严密的论证所选型的可行性与合理性[1]。

构件设计原则为“合理材料，局部加强”。同时对于某一局部，若多重加强后仍不理想，应考虑构建整体加强（如修改界面尺寸等）。结构造型须考虑材质特点：竹皮的受拉性能要好于受压。传力路径要明确，力的传递路径要短。造型要简洁、美观、新颖。

杆件的截面形式常见的有矩形、圆形、三角形等形状。为得到更大的抗弯刚度，截面一般做成空心，也可以在杆件内部加肋，以增强整体稳定性。矩形截面杆件制作简单，正方形截面各向受剪能力相同，适用于双向组合受压，也适合轴心受压，单向受剪力时，材料未能充分利用;长方形截面适用于单向受剪，材料利用充分。矩形截面中间空心大，受偏心力时易失稳。三角形截面相对于矩形截面，减少一个截面，用料少，三角形结构稳定，不易失稳，但是节点连接复杂。圆形截面各向受压受剪性能都很好，用料少，但节点连接困难。

模型节点受力较大且受力复杂，难于计算，并且由于设计和制作误差，在节点处难免存在缝隙，因此有必要对节点进行缝隙填塞和节点加强处理。

3.1 缝隙填塞

胶水的品种不同密度也不一样一般在1.1g/cm3-2.0g/cm3之间，竹皮密度0.8g/cm3。结构设计竞赛称为“一克的艺术”，为了尽可能减轻模型的质量，节点缝隙需用竹皮填满，然后滴上胶水即可。胶水滴注过的竹皮强度会有一个较大的提升，这样的做法并不削弱结点的连接。

3.2 节点加强

模型节点处受力复杂，是整个结构模型中的薄弱环节，在结构设计大赛中很多的破坏都是由节点破坏引起的，因此在结构设计与制作时还应综合考虑各方面因素来选择适合的方法加强节点连接。常用方法有：贴薄片法、加楔法、交错粘贴法、拉竹条法[2]和裹丝状竹材法。

“贴薄片法”在结点处加一块薄片。可以控制结点刚度，使得模型整体刚度增加，操作简单，在提高结点强度和模型整体刚度的同时，模型自重的增加却很小。“加楔法”在结点处的各个杆件之间加上楔子。增大连接点之間的接触面积，使得相接于一点的各杆件之间的粘结更为牢固，能很好的控制各杆件在结点处的位移，从而控制了挠度。

“交错粘贴法”采用两构件表面重叠粘结的方法，将结点处使用的竹片交错粘贴。通过增大两杆件的有效接触面积消除结点过小的各种不利因素，提高构件间的稳定和刚度要求。“拉竹条法”即利用竹条良好的韧性和强度将位于结构同一平面内的结点用竹条交叉粘结。这种做法的好处是竹条质量轻，可将此结点处的荷载传递到其他处，大大减少了结点处的危险荷载。

“裹丝状竹材法”将竹皮打磨出丝状物，然后缠裹节点。对于多个杆件共节点的加固，简单高效。

4 模型制作常见问题

（1）杆件长细比过大。杆件长细比过大会导致结构加载时失稳，可以采用分层加以解决。

（2）结构扭转。结构抗扭有效解决方法是加斜撑。

（3）底部节点间有横杆。为减小模型质量，取消横杆，不影响整体结构受力。

（4）结构最上部截面缺横杆。为减小结构不均匀受力和增强结构整体性能，最上部截面需加水平杆件。

5 结束语

随着土木工程专业的本科生教学水平的不断提高，对实践环节要求越来越高，通过对结构设计竞赛的模型制作过程注意事项和常见问题进行分析和介绍，有利于参赛学生在有限时间内运用所学知识，发挥创新能力，设计并制作出优秀的结构设计竞赛模型，在结构设计竞赛中取得优异成绩。

参考文献：

[1]雷云尧，刘晓旭.竹皮结构设计制作规范（XB10001-2014）[S].华中科技大学武昌分校学校标准，2015.

[2]耿琳，张宇，李明泽.大学生结构设计竞赛模型结点处理浅析[J].卷宗，2016：489.