四川省大學生結構設計競賽探析

楊燈　韋濤　黃巍

摘要：文章根據四川省首屆結構設計競賽橋梁工程組的競賽細則，結合對材料的性能分析，通過方案構思、結構選型、結構建模、受荷分析和模型制作五個方面，介紹了三跨連續橋梁承重模型的結構設計和模型制作方法。

關鍵詞：結構設計競賽；三跨連續橋梁；承重模型；模型設計；模型制作 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU318 文章編號：1009-2374（2015）05-0193-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0428

為深入推進土木工程人才培養模式改革，培養大學生的創新思維和實際動手能力，增強大學生工程結構設計與實踐能力，促進四川省高校大學生相互學習和交流。在2014年11月中旬如期舉辦了“2014首屆四川省大學生結構設計競賽”，這是繼全國大學生結構模型設計競賽之后，四川省高校土木工程專業學子的又一次重大賽事。競賽由四川省教育廳主辦，西南交通大學承辦。競賽題目為“三跨連續橋梁結構承重競賽”，要求設計自重在一定范圍內且有較大承載能力的橋梁模型。首屆四川省大學生結構設計競賽的成功舉辦具有里程碑的意義。

1 競賽細則

競賽組委會統一提供PVC塑膠板（2mm厚）、鉛發絲線、橡皮圈、白卡紙和AB膠三種材料，各參賽隊設計、制作模型僅限于使用以上材料。其中軟質PVC塑膠板：厚度2mm，用于制作結構構件；鉛發絲線：用于模擬懸索橋的主纜和斜拉橋的拉索；橡皮圈：為斜拉橋的拉索和懸索橋的主纜提供彈力；白卡紙：僅用于模型橋面的制作。結構模型的總重量不超過1000g，對加載成功的模型根據荷重比和撓度綜合算分排名。橋梁的類型不限，但必須保持主梁和橋面為連續的，模型的縱橋向長度要求在區間（1770，1790）mm范圍內，橫橋向寬度要求在區間（200，250）mm范圍內，橋面縱坡控制在3.0%。模型橋面以上須保證不小于寬200mm×200mm的橋面通行凈空，以用于移動小車加載。模型加載實驗平臺共設置4個支座，位于一條直線上，兩端支座中線水平間距為1770mm，2個中間支座可以左右移動，可以升降，支座均可為模型提供豎向約束和水平約束，但不提供轉動約束。模型各跨中需設集中荷載吊點施加靜荷載，小車移動荷載停在最不利跨中，總承重26kg，荷載值達達260N。

2 主要材料性能分析

PVC板屬于正交異性板，彈性模量E=1.5～15MPa，取樣板長60.1cm，寬15.2cm的PVC板，稱其質量為85g，通過計算其密度大致為465.2kg/m3。通過簡單的實驗發現，沿順紋方向裁剪PVC板所得桿件強度高，可以達到最高強度30MPa左右，適合做拉壓桿構件，而垂直于順紋方向強度很低，不適合作為結構主要構件；白卡紙質量輕且強度高，但單層紙張穩定性不好，所以用白卡紙制作橋面時需要解決其穩定性的問題；鉛發絲線屬于柔性材料，適用于制作斜拉橋和懸索橋的拉索。

3 方案構思

根據競賽的基本競賽規則：在一定的材料下制作橋梁，如果所設計的橋梁在滿足加載的情況下品質較輕且變形小即可以獲得勝利，當然還要考慮創新性、美觀性等其他附加條件。實際工程中要求建筑具有“安全性、適應性、耐久性”，基于競賽規則和實際工程特點，隊員們提出了“輕質高強、安全可靠、精致美觀”的設計理念。圍繞著這個設計理念對整體方案的設計進行了構思，主要步驟為：（1）根據大賽尺寸要求，初步確定橋梁的跨度，高度和寬度；（2）根據以往經驗和資料分析，進行結構選型，設計出滿足要求的橋梁大體模型；以實際情況為準，設計尺寸，提取出計算簡圖；（3）利用SM-solver和sap2000等軟件繪制出模型效果圖，對結構進行加載模擬，進行受力分析，計算出各梁、桿件的軸力、剪力和彎矩等，驗證結構是否滿足承載力要求、剛度要求和穩定性要求；（4）進行模型的實際制作，檢驗模型結構設計的合理性。

4 結構選型

4.1 整體選型

結合本次競賽的各材料的性能對斜拉橋、懸索、拱橋、桁架橋、梁式橋進行了比較分析，分析發現用于大跨度橋的斜拉橋和懸索橋雖然質量可以很輕，但在較大的荷載作用下會產生較大撓度和振動，雖然鉛發絲線抗拉強度高，但PVC板做成主塔抗壓也不太合適，這兩種橋型不是最好的選擇；拱橋承載力高，但對材料的抗壓要求也很高，在施工上PVC板不宜制作拱圈，使用不當會浪費很多材料；梁式橋承載能力強，但跨中彎矩大，不易控制其跨中撓度；桁架橋穩定性好，剛度大，適合與其他橋型組合運用。綜合考慮結構強度、剛度、穩定性等要求以及材料的最省原則，分析后決定采用梁式橋和桁架橋的組合體系。它既具有梁式橋承載能力強的特點，又具有桁架橋剛度大的特點，并且自重也很輕，兩者結合可以充分發揮材料性能，達到輕質高強的目的。

4.2 桁架選型

為盡量節省材料，將桁架設置在縱梁的下方，做成上承式結構，這樣橋面就具有足夠的空間，考慮到中間梁跨中部有集中荷載，并且集中荷載較大，為均勻分布力，選擇力——橫梁——縱梁——桁架和支座的傳力路徑。根據材料抗拉性能強的特性，選擇的桁架要盡量使受拉桿件多一些，受壓桿件少。通過縝密思考和大量實驗，決定下部桁架只設置在兩根邊梁的下方，中間梁跨中點采用用塔式支撐的辦法，將集中荷載均勻地分散到兩邊桁架，以達到均勻受力的效果。這樣的桁架形式不僅充分節省了材料，并且具有很強的承載能力，模型剛度大，穩定性好。

5 結構建模

對于支座的布置，通過軟件SM-solver比較分析了等跨和不等跨兩種情況，發現不等跨布置優于等跨布置，理想的不等跨布置可以使模型三跨跨中最大彎矩達到等值，使得模型總體受力均勻。模型采用三根連續縱梁，對于縱梁的截面形式，比較分析了T形、三角形和箱形截面，最終根據受力和施工等方面的綜合考慮，決定采用高寬比為2∶1的箱形截面，其他的拉壓桿件基本采用矩形截面形式。值得一提的是中間塔式支撐的壓桿，充分利用了PVC板的正交異性，采用T形截面，具有很高的抗壓能力和穩定性。

6 受力分析

在結構建模的基礎上，結合構件的計算參數，利用軟件sap2000，模擬施加三期荷載，檢驗模型是否滿足要求。其中，一期荷載為各跨中30N恒荷載和80N小車的移動荷載；二期荷載將靜荷載增加至各跨中60N；第三期荷載是在二期荷載的基礎上施加振動荷載。通過模擬，繪制出結構模型內力圖和變形圖。結合所得的數據，經分析認為該模型結構整體受力均勻、承載能力強、剛度大、穩定性好滿足變形和抗振的要求。模型整體質量為700g，整體撓度最大值不超過1mm。結果充分說明了模型的可靠性，滿足“輕質高強、安全可靠”的設計理念。當然，通過軟件模擬的結果和實際結果可能會有不一致，誤差主要來自于計算的假設上，比如軟件模擬時桁架的各節點是完全鉸接，但在實際的模型制作中是不能實現完全鉸接的。

7 模型制作

競賽的模型制作時間要求控制在20h之內，這給每個參賽隊伍都帶來了不小的挑戰，怎樣在限定的時間內完成桿件的裁剪與粘接、模型的組合等工作，成了必須要思考的問題。在此模型制作過程中，值得一提的是節點的制作和橋面的制作兩方面，這也是本次模型制作中的兩大特色：（1）節點制作：拉桿與縱梁的節點處，預留拉桿90mm長的一段不涂膠水，因此，本來一根矩形拉桿就可以在90mm一段距離內分成兩部分，將其粘接于主梁上，粘接相當牢固，也充分節省了材料。桿件匯集的節點處通過精心設計，達到無縫粘接的效果，外部采用心形貼片，增強了模型的美感，達到了精致美觀的效果。（2）橋面制作：橫梁間間距大，如果單用白卡紙制作橋面，則橋面剛度和穩定性難以得到保證，小車通過時容易產生凹陷，使得小車不能順利通過，所以在橫梁上布置了三條紙帶，并施加了預應力；在橫梁間的縱梁上布置小型襯墊，使之與橫梁平齊。通過這兩種方式的結合，在保證橋面剛度和穩定性的前提下節省了不少材料。通過近19h的努力制作，最終提交了一份滿意的答卷。整個競賽過程中團隊成員相互鼓勵，配合默契，雖然辛苦，但是心里感覺很踏實。

8 結語

此次結構設計競賽我們緊緊圍繞“輕質高強、安全可靠、精致美觀”這一設計理念展開，并且達到了這樣的要求。模型在實際加載過程中，取得了很好的成績。一期加載撓度值為0.9mm，二期加載撓度值為1.3mm，滿足振動荷載要求，檢驗了模型設計的正確性。

這次競賽培養了參賽選手的創新思維和實際動手能力，增強了學生在工程結構設計與實踐能力，在團隊協作方面有了很大提高。在模型交流會中，各高校學子共同探討，收獲頗多，同學們思維的活躍性和創新性值得贊賞和學習。

首屆四川省大學生結構設計的成功舉辦，為四川省下一屆結構設計競賽做了良好的鋪墊，結構設計競賽今后會有長足的發展，也為川內學子參加全國結構設計競賽提供了一個很好的平臺。

參考文獻

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作者簡介：楊燈（1993-），男，四川瀘州人，就讀于四川農業大學土木工程學院，研究方向：橋梁結構；韋濤

（1994-），四川瀘州人，就讀于四川農業大學土木工程學院，研究方向：橋梁結構；黃?。?993-），男，四川南充人，就讀于四川農業大學土木工程學院，研究方向：橋梁結構。

（責任編輯：王 波）