大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽經(jīng)驗漫談

1、大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽經(jīng)驗漫談大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽經(jīng)驗漫談吳小亮吳小亮洪磊洪磊全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是國家教育部批準的9個大學生競賽資助項目之一，大賽旨在培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識與合作精神，提高大學生的創(chuàng)新設(shè)計能力和動手實踐能力。大賽自舉辦以來，得到了全國各大高校相關(guān)專業(yè)師生的廣泛關(guān)注。筆者有幸參加了兩屆校級結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，并代表學校參加了第二屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。作為比賽的參與者，我們現(xiàn)將關(guān)于比賽的相關(guān)認識和經(jīng)驗略作總結(jié)，供各位參考。第1節(jié)理

2、論準備理論準備作為一項極具啟發(fā)性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的科技競賽，大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽既考驗參賽者的結(jié)構(gòu)設(shè)計知識，又鍛煉大家的動手實踐能力，并在競賽過程中，考驗參賽大學生的綜合素質(zhì)。一個優(yōu)秀的競賽作品，必然是參賽者準確把握命題要求、正確運用理論知識、精確進行模型制作的結(jié)晶。1.11.1審題審題——細致準確、有的放矢細致準確、有的放矢由于受比賽時間、材料等條件限制，大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽往往突出“結(jié)構(gòu)概念設(shè)計”的要求。參賽選手一般只需在符合題目要求的

3、前提下，從滿足結(jié)構(gòu)承載能力的角度進行構(gòu)思和設(shè)計即可。要做到“符合題目要求”，就需要我們充分了解要求，準確把握比賽規(guī)則。只有“審”好了題，才能做到有的放矢，更好地指導模型設(shè)計與制作。首先，在結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，參賽者應(yīng)認真閱讀比賽章程。比賽章程是對比賽相關(guān)事宜的詳細闡述。我們除了要準確了解參賽對象、比賽進程等規(guī)定外，更應(yīng)該對命題要求、理論設(shè)計、加載方式、破壞指標、評分標準等核心內(nèi)容做細致分析。以橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計為例，通過閱讀比賽章程，我們至少需

4、提煉以下五點信息：①模型尺寸模型尺寸在比賽章程中，一般會給出模型尺寸的限值。當未直接給出限值時，可通過加載條件間接加以確定。如對于橋梁長度而言，過短不利于加載平臺的有效支承，過長則增加結(jié)構(gòu)自重；對于高度而言，過小不利于結(jié)構(gòu)豎向剛度的保證，過高則影響加載試驗，也增加了結(jié)構(gòu)的自重；對于寬度，一般受車道條件和加載方式的限制。因此，模型的尺寸應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，通過理論分析和模型試驗取得各方面的平衡。自重。當然在結(jié)構(gòu)選型時，我們更應(yīng)該充分結(jié)合比

5、賽實際，發(fā)散思維，大膽創(chuàng)新，這也是大賽精神的要求。以第二屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為例，大連理工大學的參賽作品則采用了實腹式的梁橋（蒙皮結(jié)構(gòu)），這是紙質(zhì)模型橋式上的大膽嘗試，這在下文還將做詳細闡述。1.31.3設(shè)計設(shè)計——循序漸進、逐個擊破、因材施用循序漸進、逐個擊破、因材施用在準確審讀競賽要求、基本確定結(jié)構(gòu)型式之后，接下來一個核心環(huán)節(jié)就是結(jié)構(gòu)設(shè)計。參賽者主要依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理，針對加載條件的要求和限制，進行合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計

6、是一個循序漸進的過程，它不是一蹴而就的，也不是一成不變的，而是需要在整個競賽準備過程不斷進行優(yōu)化和改進的。同時，參賽者應(yīng)結(jié)合材料的不同力學性能，做到“因材施教、物盡其用”。所謂“循序漸進”，一方面要求設(shè)計者在命題要求的基礎(chǔ)上進行，根據(jù)不同的材料性能和受力特性，設(shè)計不同的構(gòu)件截面。如主桁上弦桿主要受壓，并承受局部集中荷載，顯然不能采用硫酸紙，而必須采用白卡紙桿件，同時由于構(gòu)件抗彎的需要，可將受彎桿件截面設(shè)計成抗彎慣性矩較大的矩形、圓形、T

7、形等形狀；對于受拉下弦，則可充分利用硫酸紙或白卡紙的抗拉強度，采用單層或多層疊合紙帶，從而減輕下弦自重。所謂“逐個擊破”，即“由果及因、由體及面、由局部及整體”的設(shè)計思路。以承受荷載的桁架梁橋模型為例。當荷載作用于跨中時，一般簡支梁承受最不利荷載，此時的彎矩圖呈倒三角形的形式。顯然跨中截面最可能發(fā)生破壞，由此我們最直接的結(jié)論是“加大跨中截面的豎向抗彎剛度”。為了能最大程度地減輕結(jié)構(gòu)自重，初步設(shè)計時我們應(yīng)著重考慮的問題是“如何使結(jié)構(gòu)的豎向

8、抗彎能力與其最不利彎矩相適應(yīng)？”從這個角度出發(fā)，再結(jié)合結(jié)構(gòu)抗彎剛度的概念，即可以設(shè)計出沿橋長變高度的各種橋梁形式。對于動荷載試驗的模型，除了類似于靜載模型的抵抗彎矩圖概念外，我們著重關(guān)心的問題是“如何實現(xiàn)動載小車平穩(wěn)順利地通過橋面？”，進而思考圍繞這一問題的一系列具體問題，如主梁與車輪的位置關(guān)系、橋面系的設(shè)計、橋面的鋪設(shè)、桁架橋主桁與橋面系的關(guān)系、拱橋拱肋與橋面系的連接等等。此外，就是桿件設(shè)計問題。一方面我們應(yīng)根據(jù)不同的受力特點，確定不