大学生结构模型设计竞赛

摘 要：“第六届全国大学生结构设计竞赛”由国家教育部、住房和城乡建设部、中国土木工程学会联合主办,重庆大学承办,旨在培养大学生的创新意识与合作精神,提高大学生的创新设计能力和动手实践能力.文章以参赛作品《承重结构的模型设计、制作与跨中静荷载作用的加载试验》为例,介绍了结构设计的流程及设计过程中需注意的事项.

关 键 词：承重结构；结构模型；加载试验；强柱弱梁；强剪弱弯；结构刚度

中图分类号：TU317文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）10-0027-02

1概述

大学生结构设计竞赛是国家教育部批准的9个大学生竞赛资助项目之一,大赛旨在培养大学生的创新意识与合作精神,提高大学生的创新设计能力和动手实践能力.“第六届全国大学生结构设计竞赛”由国家教育部、住房和城乡建设部、中国土木工程学会联合主办,重庆大学承办.本次结构设计竞赛以吊脚楼建筑抵抗泥石流、滑坡等地质灾害为题目,以竹皮为设计材料.首先我们要了解竹皮这种材料的力学性能,做到熟练地使用竹皮制作各种杆件.其次按照比赛题目要求,设计合理的结构形式.最后通过实验分析完善结构形式.

2大赛内容及模型设计制作流程

2.1大赛内容及选型

大赛的内容为利用给定材料,在一定时间内设计并制作出一个结构,通过多次重复承载能力试验,一般选出荷重比最大者,决定参赛作品,再综合考虑各项因素决出获奖等级.材料一般采用白卡纸或者是木材,至于结构,一般选择高层建筑模型、简支桥梁模型、大跨屋架模型等.此结构以工程实际为背景,主要受冲击荷载影响.比赛中采用的冲击荷载模拟泥石流的冲击.如何使结构在兼顾美观、经济的同时满足各级冲击的要求,成为我们着重考虑的问题.在结构选型中,我们对各种结构形式进行了比较详尽的理论分析和实验比较,着重分析结构自重和荷载分布,以达到较大的效率比.

2.2模型设计制作前期准备

作为一项极具启发性、创造性和挑战性的科技竞赛,大学生结构设计竞赛既考验参赛者的结构设计知识,又锻炼大家的动手实践能力,并在竞赛过程中,考验参赛大学生的综合素质,一个优秀的竞赛作品,必然是参赛者准确把握命题要求、正确运用理论知识并且精确进行模型制作的结晶,因此,在模型设计制作前应考虑设计过程中所应用到的理论知识并加以回顾.

2.3模型制作过程

一个优秀的结构模型,如果没有精细的制作工艺,不管理论设计再怎么完善也将无法付诸实践.这也是大学生结构设计竞赛区别于一般竞赛的地方.模型制作水平在很大程度上依赖于参赛者的手工技巧.

2.3.1设计构思.

（1）根据模型的制作材料,选择适当的结构形式,提高结构刚度和整体性,符合“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的要求.

（2）针对不同的结构形式,在保证安全可靠的前提下,尽量优化模型、减轻质量,使荷质比达到最大.

（3）针对不同的荷载分布,通过大量加载实验,观测模型的加速度和位移.在满足安全的前提下,尽可能提高效率比.

（4）合理运用竹皮材料的特性,充分发挥其优越的力学性能.

（5）所有杆件的计算长度及控制长细比均按压杆考虑,以保证安全.

（6）精心设计和制作构件及节点的处理,发现问题及时解决,从实践中不断总结,敢于创新,打破思维定式的约束.

2.3.2模型制作.

俗话说：“成也萧何,败也萧何.”一个优秀的结构模型,如果没有精细的制作工艺,不管理论设计再怎么完善也无法将之付诸实践.这也是大学生结构设计竞赛区别于一般竞赛的地方.

第一,杆件制作.

比赛提供的竹皮有0.2mm、0.35mm、0.三种不同的厚度.根据力学分析与多次试验,将主要受力构件采用0.厚度的竹皮,对于维持结构稳定的一些普通构件采用0.35mm厚度的竹皮,对于一些拉条以及节点的加固可以采用0.2mm厚度的竹皮.以下是模型的主要杆件的制作方法：

（1）方杆（以10mm×10mm×1m为例）：首先将0.厚的竹皮水平的铺放在桌面上,用刻度尺沿竹皮纹路量出1m长.用剪刀剪掉多余的竹皮,在1m长的竹皮两端各量取10mm,用铅笔连成直线,一人扶住直尺,一人用裁纸刀沿直线方向裁剪,共裁剪四条.由于竹皮质地粗糙,将裁剪完的竹条用砂纸打磨,打去竹皮的毛边,这样便于502胶的粘合.将打磨好的竹皮条平放在桌面上,四片竹皮依次粘合形成断面为正方形的长方体.

（2）变截面杆：变截面杆与方杆的不同主要在于竹片的尺寸,计算好每片竹片的尺寸,裁剪打磨后依次粘合.变截面杆件相比方杆有更好的受力特点,同时会减少模型自身的重量.我们模型中四根承载竖向荷载的柱子均为变截面杆件.

（3）三角形杆：三角形杆与方杆制作方法相似,但由于竹皮有一定厚度,每片粘结的竹皮又不是正交,所以在粘结过程中应当多放一些胶水,以防粘结不牢固.

（4）工字形杆：剪裁10mm宽、1m长的竹皮三段,按照“工”字形拼接而成.试验发现在腹板加大厚度能更好地提高工字形杆的强度.

第二,杆件拼接.

在桌面简要画出框架的俯视图.将横杆与竖杆按照尺寸放在桌面上,由一人固定住杆件再由一人用502胶水将其摆好的杆件粘结上.用0.35mm的竹皮折成L形加固在杆件的粘结处.待框架拼接完成后,有两人扶住框架,另一人再用杆件将一榀框架连接成二榀框架.完成后,再连接斜杆,最后固定在底板上.

第三,制作技巧.

（1）经试验发现,制作好的方杆经常在受力后会在粘结处开裂,为了减少这种现象的发生,可以在方杆内部一定间隔内加上一个小肋.

（2）由于竖杆可以看成细长杆,抗弯能力比较差,可以通过在方杆内部粘结一工字型杆,形成组合杆件,会很大程度提高方杆的抗弯能力.（3）节点是模型加载能力的关键部位.节点加固尤为重要.

（4）由于比赛现场不允许自己携带任何工具,在制作杆件时,建议用竹皮制作一个简易的操作台.这样既能确保杆件的精度,又能提高杆件的制作效率.

2.4比赛过程

比赛过程主要包括模型现场制作和模型加载评比两个过程.成败与否,全在这几天之中.

2.4.1模型现场制作.参加比赛的模型要求现场制作,并在固定的时间内完成.这就需要组员对自己模型足够的熟练,且队员之间要进行合理的分工,在规定的时间内有效地制作出满意的模型.制作的工具材料均由主办方提供,因此要有很好的临场应变能力,发现工具材料有问题,一定及时向主办方提出.

2.4.2模型加载评比.比赛加载按照抽签的顺序进行.顶层配重要求在比赛加载前确定,模型加载配重一般由自己确定.此次竞赛一共有86支参赛队伍,84所参赛院校,是全国结构设计竞赛史上规模最大的一次.我们抽得了第83组签.这是一件好事,我们可以观察前面组的加载情况以及在加载过程中可能会出现的问题,避免自己加载发生类似的错误.

3结语

此次比赛使我们收获颇多,总结如下：

（1）由于主办方提供的竹皮材料与在学校制作的材料有所差异,制作完成的模型其自重比以往轻了一半,导致对模型的加载失去信心,成为整个比赛过程中的隐患.造成这样的结果主要在于在材料下发后,没有及时地发现问题.因此对于提高临场应变能力,做到处事不惊、有条不紊,也是我们在这次比赛中学到的.

（2）本次比赛的采分点在于小球撞击一层楼面板时产生的加速度.而如何提高小球的加速度是我们没有办到的,虽然我们承受了三次冲击荷载,但并没有提高小球的加速度,这是我们没有拿到更好成绩的主要原因.失败是成功的垫脚石,总结失败的教训,在以后的比赛或者生活中,从事物的本质入手,会有事倍功半的效果.

（3）参加全国大赛是件很有意义的事情,我们看到了别的学校在这个方面的特色,学到了很多思路和制作的技巧.特别有感触的就是：只有你想不到的,没有做不到的.我们的制作技术不是问题,但是就是思路上的不一样造成了最终成绩上的差异.