装配式输电塔结构模型设计中的选型与设计——以2019 年浙江省大学生结构设计大赛赛题为例

卢巧玲LU Qiao-ling

（浙江广厦建设职业技术大学，东阳 322100）

0 引言

大学生结构设计竞赛对培养大学生的创新意识、团队合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质作用显著，已成为大学生素质教育和课外科技活动的一项重要内容[1]。结构模型设计通过构筑结构实体模型并对模型结构进行模拟加载，从中找出结构缺陷并完善结构设计，从而达到对结构优化的效果。以竹材结构进行实验最易于获得和实现，Midas 软件最易于进行结构计算和分析（以梁单元为主）。结构选型的更替过程反映出结构优化过程的合理性、科学性和可行性，由受弯构件转化为受拉构件，由综合受力状态转变为简单受力状态。本文以2019 年浙江省大学生结构设计大赛的赛题“装配式输电塔结构设计与模型制作”为例。

1 结构选型

结构形式有刚架结构、桁架结构、薄壳结构、拱形结构、网壳结构、网架结构、薄膜结构、悬索结构、混合空间结构等多种形式，每种结构形式都有其各自的适用范围及各自的特点和不足，所以要结合建筑结构设计的具体情况进行结构选型[2]。针对本赛题“装配式输电塔结构设计与模型制作”，我们从结构和载荷及荷载的静动态加载和静动态反应的内容进行了分析，选用的是桁架结构。

1.1 结构形式

我院参赛的模型采用装配式空间桁架结构，模型的上部采用高度为220mm 的桁架结构，模型下部采用高度为780mm 的以四根格构柱为主体的空间桁架结构。在整个模型的设计中，主要是上部结构做了多次修改，主要有以下三种结构形式。

1.2 上部结构不同选型对比

1.2.1 选型1

上部结构高度220mm，采用竖向刚度与水平刚度较大的梁。（如图1）

图1 水平刚度足够大的梁

此种结构，上部的梁要有足够的刚度，才能保证加载时梁的抗压和抗弯，这就要求梁的截面要足够大，因为用材增加，模型的重量也比较大。

1.2.2 选型2

上部结构采用5×5mm 正方形截面的柔性梁，其上面、前面和后面增加中间支出80mm 的拉索对柔性梁进行加固，目的是用柔性梁的变形来减弱整体结构的变形。（如图2）

图2 柔梁加拉索

此种情况，我们设计的思路是允许允许“柔梁”发生变形，但只是一点点变形，当梁要产生大变形时，三面的拉索就绷紧，巧妙地将荷载传递到拉索上面，充分发挥竹材的抗拉能力，以此来减小梁的截面，在保证承载不变的前提下减轻上部结构自重。

1.2.3 选型3

上部结构中的5×5mm 正方形截面的柔性梁和附加的体系用一根长度为600mm 的只产生拉伸变形的细杆替代，与之连接的有两根近似纺锤体的压柱和两根仅受拉伸2×2mm 截面的拉索连接，比中间模型中上部结构中的柔性梁部分大幅减重，并取得更强的上下结合结构的整体性。（如图3）

图3 实际效果图

此种情况下，改变了前面两种设计中梁要抗压和抗弯的作用效果，改变了荷载的传递路径，只要求梁抗拉就可以了，同时解决了前面两种设计中梁下部连接节点在一级加载时偏载作用下容易崩裂开的问题，加载点直接把荷载传递到下部的纺锤体柱，结合四根拉索，解决了偏载时节点易破坏的问题，同时大幅减轻了上部结构自重，结构更加简洁，模型制作起来也省时省力。此种设计，梁上的荷载由抗压和抗弯转变为抗拉，充分发挥了竹材抗拉的优势性能，物尽其用，这才是结构设计的魅力所在。

模型的构建运用midas 三维模型构筑软件建立立体模型图，通过软件模拟加载分析模型的受力状态，在尽可能节省材料的前提下对模型局部做加强处理，保证了结构的整体稳定性和可靠性，实现“轻质高强”[3]。表1 中列出了3 种选型在相同荷载下最大内力、最大主应力和最大位移对比分析。表2 中列出了3 种选型优缺点比较。

表1 相同荷载下的最大内力、最大主应力和最大位移比较表

表2 选型优缺点比较表

综合对比，根据三类选型的综合分析和设计指标，最终选定选型3 为参赛方案。

2 内力分析

2.1 第一级荷载作用

经过分析，输电塔结构的轴力图如图4（a）所示，输电塔结构的弯矩图如图4（b）所示。

图4 第一级荷载作用下的内力图

由内力分析结果可以得知：在第一级荷载作用下输电塔结构最大的轴力值为228N，发生在输电塔结构的底部；在第一级荷载作用下输电塔结构最小的轴力值为-333N，发生在输电塔结构的底部。在第一级荷载作用下输电塔结构最大的弯矩值为1250N·m，发生在输电塔结构装配处；在第一级荷载作用下输电塔结构最小的弯矩值为-2010N·m，发生在输电塔结构装配处。

2.2 第二级荷载作用

经过分析，输电塔结构的轴力图如图5（a）所示，输电塔结构的弯矩图如图5（b）所示。

图5 第二级荷载作用下的内力图

由内力分析结果可以得知：在第二级荷载作用下输电塔结构最大的轴力值为184N，发生在输电塔结构的底部；在第二级荷载作用下输电塔结构最小的轴力值为-348N，发生在输电塔结构的底部。在第二级荷载作用下输电塔结构最大的弯矩值为1311N·m，发生在输电塔结构装配处；在第二级荷载作用下输电塔结构最小的弯矩值为-1795N·m，发生在输电塔结构装配处。

3 变形分析

3.1 第一级荷载作用

经过分析，输电塔结构的变形情况如图6 所示。

图6 第一级荷载作用下变形图

由变形分析结果可以得知：在第一级荷载作用下输电塔结构最大的变形值为16.8mm，发生在输电塔的顶部。

3.2 第二级荷载

经过分析，输电塔结构的变形情况如图7 所示。

图7 第二级荷载作用下变形图

由变形分析结果可以得知：在第二级荷载作用下输电塔结构最大的变形值为26.5mm，发生在输电塔的顶部。

4 承载力分析

根据竹材顺纹抗拉强度60MPa，抗压强度30MPa，经过计算，其主要杆件的应力如表1 所示。

表1 输电塔结构主要杆件应力

综合输电塔结构在第一级、第二级荷载作用下的内力和变形分析，可以得到方案3 设计的输电塔结构可以承受第一级和第二级荷载作用。

5 连接形式

模型要求采用装配式结构，连接主要分为装配式整体连接和局部节点连接。

5.1 装配式整体连结方式

上下部分的连接方式，采用榫卯结构，榫卯是榫头和卯口相互咬合、搭接而形成的一种连接形式。“榫”是构件凸出的部分；“卯”是构件凹进去的部分，也称为“榫眼”。模型的下部空间桁架结构顶部的柱顶预留出足够长度的榫与上部相应部分的卯采用中国木质建筑通常的卯榫结构连接，并考虑结构的荷载是从上部桁架结构向下传递，故在四根柱上相应位置留出用竹片制作的“摁扣”，以保证上部结构和下部结构连接的整体性，同时也保证荷载从上向下传递的连续性、可行性和可靠性。

5.2 局部连结方式

在空间桁架体系的各个构件联结均采用杆件末端提前切割角度，最后进行拼接，杆件的缝隙间用竹粉进行填充，以保证各个节点均成为理想的刚节点。

5.3 格构柱内格点联接方式

格构柱内按照等距格构布置，以增加抗剪能力和提高稳定性外在节点处增加格构块的长度，突出体现“强柱弱梁、强剪弱弯、强化节点、强化联结”的结构特点。

5.4 有效措施

①对重要主体柱的柱体采用“L”形“等边角钢”型格构形式，既减轻了重量，又保证了结构横截面整体的惯性矩为最大值，从而最大限度地降低模型危险截面最大工作应力。②对加载点临近的受压杆件，采用“纺锤体”形状的结构形式，既减轻了重量，又保证了压杆的稳定性。③在上部最初的“柔梁”和拉索加劲带的基础上，将受载荷作用后产生弯曲变形的构件，转换为上部的受载后只产生拉伸变形的构件，进而使上部结构的重量大幅度地降低。④在上部结构与下部结构连接的位置采取增加承台长度的作法，从而降低“纺锤体”压杆的长度，进一步提高其稳定性和减轻重量。⑤在“纺锤体”的端部，增加一根细小的起抗拉作用的拉条，有效的解决了一级加载时这个节点受拉破坏的问题。⑥在主体柱下部沿加载面设置四根小拉带，有效的解决了二级加载时偏载作用结构容易发生受扭破坏的问题，能起到加强底部强度和刚度的关键作用。

6 结构分析总结

该设计充分考虑实体结构的特点以及材料的性能，在充分满足功能的前提下，保证结构在一定的荷载作用下不发生破坏，同时力争荷载与模型自重的比值最大，综合这几方面的考虑，对模型进行了优化，并利用给定模型材料的特点，竹条要充分利用其抗拉能力，胶水连接硬化后属于刚性节点，所以在结构中要充分利用材料的力学性能。在整体结构中，要考虑到梁与柱受力的不同，要根据其破坏的特点，对每根杆件进行设计。利用Midas 三维模型构筑软件建立立体模型图，分析结构优化后模型的特点，确保模型破坏前荷重比达到最大。