大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽經(jīng)驗(yàn)漫談

1、大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽經(jīng)驗(yàn)漫談大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽經(jīng)驗(yàn)漫談吳小亮吳小亮洪磊洪磊全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是國家教育部批準(zhǔn)的9個(gè)大學(xué)生競賽資助項(xiàng)目之一，大賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)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(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，并代表學(xué)校參加了第二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)略作總結(jié)，供各位參考。第1節(jié)理

2、論準(zhǔn)備理論準(zhǔn)備作為一項(xiàng)極具啟發(fā)性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的科技競賽，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽既考驗(yàn)參賽者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，又鍛煉大家的動(dòng)手實(shí)踐能力，并在競賽過程中，考驗(yàn)參賽大學(xué)生的綜合素質(zhì)。一個(gè)優(yōu)秀的競賽作品，必然是參賽者準(zhǔn)確把握命題要求、正確運(yùn)用理論知識(shí)、精確進(jìn)行模型制作的結(jié)晶。1.11.1審題審題——細(xì)致準(zhǔn)確、有的放矢細(xì)致準(zhǔn)確、有的放矢由于受比賽時(shí)間、材料等條件限制，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽往往突出“結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)”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(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)即可。要做到“符合題目要求”，就需要我們充分了解要求，準(zhǔn)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(dǎo)模型設(shè)計(jì)與制作。首先，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，參賽者應(yīng)認(rèn)真閱讀比賽章程。比賽章程是對(duì)比賽相關(guān)事宜的詳細(xì)闡述。我們除了要準(zhǔn)確了解參賽對(duì)象、比賽進(jìn)程等規(guī)定外，更應(yīng)該對(duì)命題要求、理論設(shè)計(jì)、加載方式、破壞指標(biāo)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等核心內(nèi)容做細(xì)致分析。以橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)為例，通過閱讀比賽章程，我們至少需

4、提煉以下五點(diǎn)信息：①模型尺寸模型尺寸在比賽章程中，一般會(huì)給出模型尺寸的限值。當(dāng)未直接給出限值時(shí)，可通過加載條件間接加以確定。如對(duì)于橋梁長度而言，過短不利于加載平臺(tái)的有效支承，過長則增加結(jié)構(gòu)自重；對(duì)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(yàn)，也增加了結(jié)構(gòu)的自重；對(duì)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(yàn)取得各方面的平衡。自重。當(dāng)然在結(jié)構(gòu)選型時(shí)，我們更應(yīng)該充分結(jié)合比

5、賽實(shí)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(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為例，大連理工大學(xué)的參賽作品則采用了實(shí)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(xì)闡述。1.31.3設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)——循序漸進(jìn)、逐個(gè)擊破、因材施用循序漸進(jìn)、逐個(gè)擊破、因材施用在準(zhǔn)確審讀競賽要求、基本確定結(jié)構(gòu)型式之后，接下來一個(gè)核心環(huán)節(jié)就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。參賽者主要依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理，針對(duì)加載條件的要求和限制，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6、是一個(gè)循序漸進(jìn)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(gè)競賽準(zhǔn)備過程不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的。同時(shí)，參賽者應(yīng)結(jié)合材料的不同力學(xué)性能，做到“因材施教、物盡其用”。所謂“循序漸進(jìn)”，一方面要求設(shè)計(jì)者在命題要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)不同的材料性能和受力特性，設(shè)計(jì)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(shí)由于構(gòu)件抗彎的需要，可將受彎桿件截面設(shè)計(jì)成抗彎慣性矩較大的矩形、圓形、T

7、形等形狀；對(duì)于受拉下弦，則可充分利用硫酸紙或白卡紙的抗拉強(qiáng)度，采用單層或多層疊合紙帶，從而減輕下弦自重。所謂“逐個(gè)擊破”，即“由果及因、由體及面、由局部及整體”的設(shè)計(jì)思路。以承受荷載的桁架梁橋模型為例。當(dāng)荷載作用于跨中時(shí)，一般簡支梁承受最不利荷載，此時(shí)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(jì)時(shí)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(gè)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(jì)出沿橋長變高度的各種橋梁形式。對(duì)于動(dòng)荷載試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)載小車平穩(wěn)順利地通過橋面？”，進(jìn)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(jì)、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(jì)問題。一方面我們應(yīng)根據(jù)不同的受力特點(diǎn)，確定不