大学生结构设计竞赛之“八仙台”作品结构模型的制作与分析

雷博 周学斌 夏晨阳 刘岳矗 周亚青

摘 要：全国大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛。本次结构设计竞赛题以承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计为主。承受多荷载工况的大跨度空间结构模型必须承受静载，随机选位荷载及移动荷载及多种荷载。三种载荷工况分别对应实际结构设计中的恒荷载、活荷载和变化方向的水平荷载。

关键词：结构设计竞赛；结构模型；模型制作；模型加载

1 赛题设计任务与分析

赛题要求设计并制作一个大跨度空间屋盖结构模型，模型构件的布置范围在两个半球面之间，内半球体半径为375mm，外半球体半径为550mm。模型放置于加载台上，在指定位置设置加载点。在一、二级8个点上施加竖向荷载加载过程中，通过位移测量装置对结构中心的垂直位移进行测量，模型位移的许可值[w]=12mm。三级荷载在内圈加载点中抽签选出1个加载点施加变化方向的水平荷载，加载点如图1所示。空间桁架结构能最大限度发挥材料的承载能力，但是受压杆的稳定性是关键。各个加载点和杆件连接点的局部承载能力，应充分考虑。

图1 加载点布置图

2 结构设计过程

2.1参考资料收集

经过调研，我们在一些模型结构上，分析其结构的受力特点，各个杆件的变形情况。空间网架结构由于网架结构杆件之间的相互作用，使其整体性好、空间刚度大、结构非常稳定，这种结构可以考虑。

悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。

除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。

2.2结构选型

根据参考资料、赛题要求及组委会所提供的材料、工具、限定的连接方式，小组成员与指导老师共同讨论分析拟定设计方案。

方案以斜撑立柱作为主要受压承载构件，尽量减小立柱的弯曲变形，所以立柱支撑点位于加载点正下方。立柱在承台板的固定点以符合内外半球直径限制且尺寸最短为准（留有一定的安全距离）。

田字形水平框架梁作为加载平台，4个角点为外圆加载点（距离中心260mm）4个内圆加载点在田字框十字梁上，距离中心150mm 处；在斜撑柱上增加8个拉索，对结构起到稳住保护作用。

2.3 结构定型

定型方案如图2所示。

本队设计的结构由三部分组成。第一部分是柱。支撑加载点的斜承柱有两种：10*10*555mm（长柱）和10*10*500mm（短柱）。横截面为10*10mm壁厚为1.1mm的方形空心管。用两层0.50mm的竹皮粘接而成。

长柱4根与水平的的角度为54度，支撑内圆加载点；短柱4根与水平的的角度为64度，支撑外圆加载点。

第二部分是由田字形水平框架梁。框架尺寸为370*370mm， 梁的横截面为10*10mm壁厚为1.1mm的方形空心管。用两层0.50mm的竹皮粘接而成。

第三部分为拉索，长度为620mm，截面为0.35*10mm的竹皮。

3 構件制作与结点处理

3.1竹管制作

确定空间跨度为940mm，高度为450mm。在0.5mm的竹皮上，进行下料，量取需要的长度和宽度，粘接竹皮的方式为5+3，首先裁5片竹皮的宽度，用刀子在竹皮上轻轻划出一条裂缝，不必切断，然后用胶水粘结截面为正方形的空心管。在贴第二层时，把剩下裁开的3条，依次用胶水粘结在只有一层竹管的表面（保证胶水无缝隙的连接两片竹皮），待粘结牢固后，用竹粉填充片与片之间的空隙，以增加竹管的强度。

3.2节点处理

使用竹粉（可以增加结点连接的密实性）在连接处用胶水粘结，在平台的十字管节结点，采用两个分管粘结在一个主管上，同时撒上竹粉，滴入胶水，同时在上下两面使用0.5mm的竹片连接两个分管，以增强粘结的牢固性。外框的结点连接处，以及外框与十字架的连接部位采用同样的方法，此外将10*10*394mm的两根空心管两端使用0.5mm的竹片进行封口。0.5mm的竹皮将柱的口封住，留一端粘结的竹片大一些，方便结构固定在承台板上，在柱与平台梁的连接处使用加入竹粉粘接，竹粉可以使连接柱与梁的接触面积增大，还增大了节点的密实性，起到了稳固、保护作用。

图2 三级加载位移

4实验加载验证

首先进行一级加载，分别在8个加载点上放置5.1kg的砝码，无明显变形、扭转现象，位移下降1mm左右，强度足够，安全系数很大；进行二级加载，在八个加载点上分别加上2.55kg+1.275kg的砝码，位移下降2～3mm，且无明显扭转变形现象，水平刚度足够，跨中挠度很小；在三级加载中，使用拉力计，在内加载点的一点，手动施加水平拉力，左右转动角度，水平拉力为7kg，安全承载，总共承载74kg，相比于一、二级加载的满载64kg，超载10kg，稳定性系数很高。

5 结语

综上所述，在赛题的要求下，队员们齐心协力，收集资料，选型，在此基础上再不断地探索与优化，节点部位的处理，使模型趋于完善。在省赛上，此大跨度空间结构顺利通过三级加载：一级满载40kg，二级满载24kg，三级满载8kg。达到赛题最大的加载量，在一定程度上符合了工程标准。

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作者简介：

雷博（1987），指导老师，男，籍贯：陕西西安，民族；汉，职称：助教，学历：硕士研究生，研究方向：土木工程.