淺談第四屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)大賽挑篷的制作

摘要隨著社會的發(fā)展，人們對體育場看臺的要求越來越高，修建挑篷就是人們改善體育場看臺觀看條件的一項(xiàng)主要措施。挑篷能為觀眾遮陽擋雨，創(chuàng)造良好的觀看環(huán)境，大大地提高觀眾的舒適性。現(xiàn)代體育場的挑篷在外觀上形式多樣，但從結(jié)構(gòu)上說都包括支承骨架和圍護(hù)材料兩部分。隨著人們審美觀念的提高，簡約、大方、流暢的建筑結(jié)構(gòu)逐漸受到到人們的歡迎。

關(guān)鍵詞結(jié)構(gòu)選型 特色處理

中圖分類號：J529文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Cantilever roof Making in the Fourth National College Structure Competition

MENG Xianglei， REN Huiqiong， SHAO Yunlong

(Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 611756)

AbstractWith the social development， people require more to stadium bleachers， making cantilever roof is one of the main measures to improve the condition of stadium bleacher. Cantilever roof can shade and pick rain for the audience， create a good viewing environment， and significantly enhance the audience's comfort. Modern stadium cantilever roof forms in appearance， but the structure that includes support frame and envelope material two parts. With the improvement of people's aesthetic ideas， simple， elegant， smooth structures gradually being welcomed by people.

Key wordsselection structure; handling characteristics

1 方案構(gòu)思

大型體育場看臺的懸挑屋蓋因其具有跨度大、結(jié)構(gòu)柔、材料輕巧等特點(diǎn)，成為典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，特別是對建于強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的大型體育場來說，懸挑屋蓋上的風(fēng)荷載和由此誘發(fā)的屋蓋的風(fēng)致振動常常是控制結(jié)構(gòu)安全性的主要因素。本方案在構(gòu)思的時(shí)候，考慮到體育場懸挑屋蓋的受荷特點(diǎn)，結(jié)合人們對于懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)的審美要求，在支撐骨架上采用了箱型結(jié)構(gòu)的懸挑梁作為主要承載結(jié)構(gòu)，整個(gè)箱型懸挑梁呈流線型，既美觀又可以在受風(fēng)荷載時(shí)有效地減小風(fēng)致振動的影響。

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 總體選型

挑篷結(jié)構(gòu)既要安全可靠，又要經(jīng)濟(jì)美觀。經(jīng)過熱烈的討論和實(shí)際的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)箱型結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、簡約大方等特點(diǎn)，決定模型的懸挑梁整體采用流線型箱型結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)受力合理的前提下追求結(jié)構(gòu)外表形式的美觀。結(jié)構(gòu)的支腿盡量利用比賽規(guī)則中的要求，在保證符合設(shè)計(jì)要求的前提下，使支腿盡可能簡約有效。最后，將支腿和懸挑梁有機(jī)結(jié)合，從結(jié)構(gòu)和形式上達(dá)到和諧統(tǒng)一。整個(gè)模型從外觀上看，前高后低，由后向前呈流線新上升的趨勢，給人一種流暢簡約的美。

2.2 懸挑梁結(jié)構(gòu)選型

體育館挑蓬承受的荷載分為動載和靜載，以動載作用為主，這就需要挑蓬具有足夠的強(qiáng)度和剛度。為了降低風(fēng)荷載導(dǎo)致的震動，使挑蓬具有足夠的強(qiáng)度，結(jié)合流體的特點(diǎn)懸挑梁線性創(chuàng)新性的采用流線型。為了使挑蓬能有足夠的剛度承受靜載的作用，結(jié)合懸挑梁受力特點(diǎn)懸挑梁的形式采用箱型。

2.3 支腿結(jié)構(gòu)選型

支腿的作用是將懸挑屋蓋固定在體育場看臺上，對于保證整個(gè)懸挑屋蓋的剛度和強(qiáng)度起到至關(guān)重要的作用。在挑蓬承受靜載的時(shí)候，支腿前部桿件受壓后部桿件受拉；當(dāng)挑蓬承受動載的時(shí)候，支腿前部桿件受拉后部桿件受壓。所以，要保證支腿前后部件都既能承受壓力又能承受拉力。由于在承受靜載的時(shí)候，支腿前部承受的的力比較大，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)最終支腿后部采用直桿，前部采用兩根斜桿支撐，前后部件通過懸挑梁和斜聯(lián)系成一體，這樣既能保證結(jié)構(gòu)受力滿足要求，整個(gè)支腿非常簡約和懸挑梁結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)。

3 材料及制作工藝

（1）模型制作材料：桐木，長度1250mm，截面規(guī)格有2mm€?mm、2mm€?mm、2mm€?mm、4mm€?mm、1mm€?5mm

懸挑梁的制作：以一條2mm€?mm與2mm€?mm 木條制作而成的T型桿件，再把兩片經(jīng)過裁剪呈流線型的1mm€?5mm木片以一定的角度粘貼制作好的T型桿件上，形成懸挑梁。

（2）支腿的制作：支腿用三根箱型桿件做成，桿件一邊為2mm€?mm或2mm€?mm的桿件，其余三邊為11mm、7mm、5mm的薄片（用1mm€?5mm的桿件切削而成）。這樣做既能有效發(fā)揮材料的性能又能節(jié)約用材，另外箱型的構(gòu)件其受力性能好。

4 模型特色處理

本模的特色主要有以下幾點(diǎn)：（1）整個(gè)模型充分利用四片1mm€?5mm的木片和兩根2mm€?mm、2mm€?mm的木桿做成整個(gè)懸挑屋蓋的支撐骨架，在保證整個(gè)結(jié)構(gòu)安全實(shí)用的前提下大大降低材料的消耗。兩根懸挑梁用四片1mm€?5mm的木片裁剪成流線型拼接成箱型，內(nèi)加加勁肋，整個(gè)梁成流線型箱體。（2）模型的支腿也具有其特色，整個(gè)支腿用做懸挑梁裁剪下1mm€?5mm的木片和2mm€?mm、2mm€?mm的木桿下腳料做成，只有三根箱型桿件組成。維護(hù)材料需要鋪裝在支撐材料上，在分析了懸挑屋蓋的受力情況后，用1mm€?5mm的木片裁剪成1mm€?mm的木條粘貼在主體支撐構(gòu)架上。

5 計(jì)算模型

懸挑梁計(jì)算模型。懸挑梁是體育場懸挑屋蓋最重要的部件之一。動載和靜載機(jī)通過圍護(hù)材料把荷載傳遞到懸挑梁上，然后懸挑梁將荷載傳遞到支腿，最后將其傳遞到看臺上。所以，懸挑梁的剛度和強(qiáng)度對整個(gè)懸挑屋蓋的性能至關(guān)重要。懸挑梁核心設(shè)計(jì)包括:

（1）確定懸挑梁的截面形式：懸挑梁確定采用箱型結(jié)構(gòu)后，關(guān)鍵在于確定其界面形式。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終選擇的截面為三角形。這樣做既利用了三角形的穩(wěn)定性，也可以在滿足界面要求的前提下減小截面的尺寸，減輕重量。另外，對懸挑箱型梁進(jìn)行了創(chuàng)新，制作工程中充分利用了布紋紙。這樣既可以滿足箱型梁的要求，又可以大大降低模型的質(zhì)量。

（2）確定懸挑梁的片數(shù)：在確定懸挑梁的片數(shù)的時(shí)候，考慮了兩片和三片兩種情況，但經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩片梁要比三片梁的情況要好，因?yàn)楸荣悤r(shí)要在挑蓬前段加一均布荷載，三片梁時(shí)可能出現(xiàn)僅有其中兩片梁發(fā)揮作用的情況，導(dǎo)致其中一片梁沒發(fā)揮作用，并且兩片梁相對于三片梁可以減輕重量，最后選擇采用兩片梁的形式。

（3）確定懸挑屋蓋的傾角：屋蓋的整體傾角要大于等于零，以避免出現(xiàn)雨水從屋面前緣流下。經(jīng)查資料，實(shí)際工程中的屋面傾角在0€?10€爸洌孀牌露鵲腦黽櫻菝嫻姆繆梗ǜ貉梗┞雜刑岣擼翹岣叻炔皇嗆艽蟆５喬憬竊齟螅瘸齦叨瓤梢越檔停謚譜韉氖芰Α＝岷鮮匝榍榭齪鴕延兇柿希酆媳冉蝦螅范ㄎ莞塹那憬俏?0€啊?

（4）確定懸挑梁的流線形狀：無論風(fēng)向角如何變化，挑篷上的風(fēng)荷載以向上的吸力為主，且以靠近屋蓋前緣的部位風(fēng)吸力較大，這說明氣流在屋蓋前緣產(chǎn)生的漩渦脫落作用是影響屋面風(fēng)荷載特性的主要因素。風(fēng)在屋面棱角處產(chǎn)生分離，然后在分離層形成離散的漩渦，脫落在屋面下方的尾流中。當(dāng)來流垂直于屋面邊緣時(shí)，來流在屋面前緣分離形成明顯的柱狀渦，由于漩渦中存在很大的逆壓梯度，導(dǎo)致氣流分離處會形成很大的負(fù)壓區(qū)，而屋蓋下表面受主看臺的影響抑制了氣流分離主要受壓力這樣在上、下兩個(gè)表面的荷載疊加作用下即為一個(gè)向上的升力。當(dāng)來流不是正面吹向建筑物而是存在某一斜向角度時(shí)，高負(fù)壓區(qū)域少，且高負(fù)壓區(qū)主要集中在迎風(fēng)拐角處，而在屋面拐角由斜向風(fēng)產(chǎn)生的錐形渦是形成該現(xiàn)象的根源，總之，迎風(fēng)面受柱狀渦或錐形渦的作用產(chǎn)生極大的負(fù)風(fēng)壓， 在其他區(qū)域由于尾流作用風(fēng)壓較小，且變化不大。

參考文獻(xiàn)

[1]張清文，孫瑛，武岳，沈世釗.體育場懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)壓特性研究[J].工業(yè)建筑， 2007(S1).

[2]吳海洋，梁樞果，郭必武.大跨懸挑屋蓋結(jié)構(gòu)形式對抗風(fēng)性能的影響[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(5).

[3]方鄂華編著.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]SchuellerWolfgang.豎向建筑結(jié)構(gòu)手冊.袁勇，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.12.

[5]戴儉編.建筑形式構(gòu)成方法解析.天津:天津大學(xué)出版社，2002.8.

[6]孫訓(xùn)芳，方孝淑，關(guān)來泰編著.材料力學(xué)(Ⅱ).北京:高等教育出版社，2002.8.

[7]杜正國.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程.成都:西南交通大學(xué)出版社，2004.