大學生結構設計競賽命題方法探討

李春寶，程旭東

摘要：為培養適應社會發展的土木工程專業創新型高素質人才，各高校和地區開展了大學生結構設計競賽活動。選取一套接近實際結構、合理新穎的建筑結構模型設計題目有利于大學生深入學習本專業的知識，激發大學生的創新思維，培養大學生的團隊協作能力。本文介紹分析了國內主要高校舉辦結構設計競賽所采用的題目、結構形式、材料、加載方式、計分方法以及比賽規則等，進而總結出了一套合理新穎的“大學生結構設計競賽”題目。

關鍵詞：結構設計;競賽題目;結構選型;材料;加載方式

中圖分類號：G642.0???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2014）41-0103-03

大學生科技創新活動不僅要求大學生創新，還需要出題者對題目進行創新。結構設計競賽是一項充滿挑戰欲、創造性的科技競賽，主要面向在校大學生。這種科技創新活動的主要目的是培養學生的團隊概念，在活動中學生互相交流共同學習，從各個方面促進學生動手能力和創新思維的培養。大學生科技創新活動中的材料力學、橋梁工程、結構試驗等課堂理論基礎知識可以通過結構設計競賽的形式與實際工程相結合，從而培養學生的設計和計算能力。這項競賽得到了教育部的重點支持。國內許多一流高校都積極籌辦此類比賽，并且通過高校間互相交流合作的方式促進這種競賽不斷升級發展，響應教育部的號召。所以目前此項比賽已經成為國內著名高校中土木專業的傳統賽事。本文將國內主要高校舉辦結構設計競賽所采用的題目、結構形式、材料、加載方式及計分方法等進行了分析介紹，以期為大學生科技創新競賽的發展做出新的貢獻。

一、結構選型

不同的競賽對結構的受力要求各不相同，如高層結構、橋梁、屋架、塔吊等，結構體系需視具體情況分析選擇。在結構設計競賽中最能體現創新的地方是結構體系的創新，可充分發揮學生的想象力。西南交通大學第八屆結構設計競賽采用的是高層建筑模型設計和橋梁模型設計兩種結構，華中科技大學第三屆大學生結構模型設計競賽采用的題目是大跨度屋蓋結構模型設計，浙江工業大學第七屆大學生結構設計競賽采用的題目是自立式塔吊結構模型設計，首屆全國大學生結構設計競賽和中國石油大學第一屆建筑結構模型設計競賽采用的題目均為高層結構模型設計（見圖1），此題目充分展示和發揮了建筑工程專業學生的專業水平，通過此次競賽實踐活動證實了該結構選型是一種較為合理的結構選型。

二、模型材料

模型的合理設計需要建立在對材料充分認識的基礎上，因此，正確認識材料性能是做好模型的關鍵。目前，國內高校的模型競賽采用的材料主要有木材、紙、竹材、有機玻璃及廢棄的飲料瓶等材料，但大多數高校比賽使用的材料是模型專用木材，并輔以502膠水或乳膠。如，西南交通大學第八屆結構設計競賽、南京林業大學結構模型創新設計競賽、中國石油大學第一屆建筑結構模型設計競賽均采用木材作為模型結構的主要材料。這里主要討論一下模型專用木材以及由這些材料制作的桿件以及他們的連接。之所以考慮采用木材，是因為相對而言木材具有較強的抗拉、抗壓強度和剛度，其抗拉與抗壓強度相近，與實際工程采用的鋼材材料性能相似，并且木材易于切削、加工和粘貼連接。木桿之間的連接可參照某些鋼結構的構造。鉸節點，兩桿之間軸心受力，允許存在一定程度的轉動，不能傳遞彎矩，桿件方向在正交情況下，可以通過搭接并施加壓力，使力傳遞。剛節點，要求傳遞剪力與彎矩，可通過使用適量膠粘劑的途徑，使節點的剛度遠大于桿件的剛度。結構的破壞不但會造成整體失穩，還會使構件中的木材屈服，或木材產生超過比賽規定的變形，所以需要參考材料的性能對結構進行簡單的計算分析。比賽過程中需要計算模型的內力，可是學生一般不具備精確測量的儀器，普通的超靜定結構，桿件的相對剛度影響內力分配，如木材受彎桿件的EI，受拉桿件的EA，以下提供幾個簡便的實驗確定這兩個參數。制作簡支梁模型（見圖2），在跨中加荷載P，測量中點處的位移Δ，由此可通過以下公式算出抗彎剛度EI。

EI=PL3/48Δ

同樣，桿的EA值可通過受力以后線的伸長量來進行測量。（見圖3）

EA=（P2-P1）L/（Δ2-Δ1）

即使上述實驗提供的數據精度有限，不過一般情況下，在進行簡單實驗時可提供可靠的數據用于計算分析。如果條件允許，也可精確測量材料的本構關系用于計算分析。經過多次的模型試驗結果及多方面因素的綜合考慮，可知木材適合作為模型設計競賽的首選材料。

三、加載方式

根據結構選型的不同，采用的加載方式也不盡相同，即使取用同一種結構形式，也可以選用不同的加載方式。按照加載方向劃分有豎向加載和水平加載，按照加載動靜可劃分為動荷載、靜荷載和沖擊荷載，亦會有與前兩種的相互組合加載。以福建省第一屆大學生結構設計競賽為例，采用的是橋梁結構模型（見圖4）。

相應的加載方式包括豎向荷載和水平移動荷載，具體加載程序及操作步驟如下：（1）參賽隊員將模型安置在試驗裝置上，在安置模型的同時，由一名參賽隊員向評委和觀眾介紹參賽作品，然后回答評委提問，時間控制在3分鐘內。（2）由參賽隊員在模型一端放置第一次加載重量的小車，并開始牽引小車勻速緩慢通行，當第一輛車行駛到離出發點為1米時，第二輛車開始啟動。每當小車到達模型較大跨跨中（如兩跨相同，則為行駛方向第二跨）時，小車停止10秒鐘，量測位移，然后再繼續勻速緩慢通行。（3）若第一次加載成功，參賽隊可選擇第二次加載重量，并以同樣方式完成第二次加載試驗。整個加載過程的總時間不得多于150秒，最后以通過的最大加載重量計分。在加載過程中，如果出現下列任一情況，將視為加載失敗，退出加載試驗：（1）模型跨中的最大豎向位移越過規定的限值（20mm）。（2）因模型主要構件出現失穩、結構變形過大和破壞等本身原因，使小車滑落或使小車除車輪外的其他部分與橋面板或橋梁的其他構件接觸。

中國石油大學第一屆建筑結構模型設計競賽的加載示意圖（見圖5）。

相應的加載方式包括豎向靜荷載和水平沖擊荷載，具體加載程序及操作步驟如下：基本豎向靜荷載設計值為7.5kg。加載底板采用鋼板，平面尺寸為直徑300mm圓板。加載共分3次完成，從第一次到第三次各加2.5kg。每次加載后目測變形穩定后再加下一級荷載。靜載施加完畢后，再加水平動荷載，水平動載分0.5kg和1kg兩個級別，兩層結構需在兩層上分別設置動載加載點，三層結構需在三層上分別設置動載加載點。施加動載時應將小球提高300mm，然后使其自由下落，在彈簧帶動下，小球將做往復的衰減運動，以達到對結構施加往復的水平動載之目的。靜載、動載均加載完畢后方可視為加載成功。加載由本模型制作者完成。繼汶川地震之后，水平地震作用對構筑物的破壞進一步引起了我國工程界及科研機構的重視。中國石油大學第一屆建筑結構模型設計競賽在國內高校首次將水平地震作用模擬到結構模型競賽中去，加深了大學生對地震作用對構筑物產生破壞作用的感官認識，提高了大學生參加科技創新活動的積極性和創造性。

四、計分方法

各高校對于模型設計競賽采用的計分方法基本相同，而且這種方法也比較公正?，F以中國石油大學為例簡述如下：根據結構造型、理論分析、陳述答辯和加載試驗4個方面進行評審，總分為100分。前三項共35分，由評委根據結構模型實物、理論分析計算書給分，參賽隊員的陳述答辯現場給分。第四項65分，由承載能力以及模型的質量、規格等因素綜合而定。模型高度和材料不符合競賽要求的，或參賽過程中有其他違規現象的將不進入加載試驗階段。重點說明第四項計分方法：若模型在某級加載試驗中出現破環，則認為該級加載失敗，退出加載試驗，該項為0分。在所有加載成功的組隊當中，首先按照模型質量由輕到重進行排名，排名第一的為滿分，即65分，第一名之后的其他組隊分數計算方法為下面公式：A=B×65/C，其中A為加載得分，B為最輕的加載成功模型質量，C為加載成功需計算分數的模型質量。

通過以上論述，對國內結構模型設計競賽的結構選型、材料選取、加載方式以及計分方法等進行了分析和介紹，總結出了一套較為合理、新穎的結構模型設計競賽題目。筆者認為，教師要克服墨守成規的命題模式，要抓住機會培養學生快速學習新知識的能力，發揮學生的創新應用能力。

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