積極參與模型大賽提升學生綜合素質

陳玉驥

摘要：本文根據這幾次比賽的具體情況并結合工程實踐經驗，敘述了“結構模型設計大賽”的意義，闡述了作者指導我校學生參加“結構模型設計大賽”的認識與體會。

關鍵詞：結構模型設計大賽；土木工程專業；意義；認識

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0186-02

一、引言

為了加強中南地區高校土木類專業本科生的學習交流，促進土木工程專業教學質量的提高，由華南理工大學發起，中南地區高等院校土木類專業教學指導委員會主辦，深圳大學建筑與土木工程學院承辦的第一屆中南地區高等院校土木工程專業“結構模型設計大賽”，于2005年11月在深圳大學舉行。共有華南理工大學、湖南大學、廣西大學、深圳大學和我校等十幾所高校的三十多件作品參賽。隨后，2007和2009年又分別在湖南科技大學和三峽大學舉辦了第二和第三屆“結構模型設計大賽”。隨著該項賽事影響的逐漸加大，參賽學校不斷增加。第一屆比賽，僅13個學校參賽，到第三屆比賽，參賽學校達到42所。歷次比賽，現場上同學們躍躍欲試，氣氛緊張而有序，熱烈而又精彩，充滿了團結友好的氣氛。為了加強學校品牌活動，促進結構力學精品課程建設，我校每次均派隊參賽，目前，共獲得二等獎兩項、三等獎一項，取得了良好的成績。

二、結構模型設計大賽的簡介

每次比賽都有一個主題。如，第一至三屆比賽的題目分別是“承受豎向靜力荷載的簡支結構模型設計”、“設計承受局部靜荷載的紙質受力結構模型”和“兩跨連續渡槽模型設計”。指定的材料為圖紙，乳膠和棉線。模型質量、模型的長度、寬度、高度都做了具體限制。在規定時間內各對要設計并制作完成模型。比賽排名由模型承載重量和模型自重比值（Q/W）大小確定。此外，大賽主委會還對參賽選手、參賽作品、說明書、答辯、加載等提出了具體要求。如第一屆中南地區結構模型大賽的要求為：

1.作品應力求有創造性，貼近實際、結構合理、制作精巧。

2.參賽選手必須為土木類專業本科生。

3.完整的作品包括以下部分：結構設計說明書、結構制作圖、結構模型。

4.每個隊比賽時間為8分鐘。

三、舉辦結構模型設計大賽的意義

1.結構模型設計大賽的宗旨在于健全面向未來的教學體系，推崇科技先導，豐富校園學術氛圍，讓學生的學習更加活潑，讓學生的課余活動更加充實和有意義。

2.結構模型設計大賽是集理論與實踐于一體的綜合性測試，大賽模擬工程建設的幾大環節，從計算書編寫、材料選用到結構模型制作、加載實驗和模型的實測，強化學生工程實踐素質，鼓勵學生理論結合實踐，可以拓寬學生的知識面，增進學生對專業知識的了解，為學生把書本知識綜合運用于實踐提供了一個良好的平臺。

3.結構模型設計大賽的每一參賽隊一般有3～4個人，可以由不同特長的學生組成（如第一屆比賽，我?！叭A夏6號”隊的成員中，有的擅長設計與計算機編程及軟件的使用，有的力學和專業基礎扎實，有的動手操作能力很強，還有的臨場發揮穩定），主要強調學生的組員之間的團結與協作，培養學生的團隊協作精神，鍛煉組員之間群策群力的能力。

4.結構模型設計大賽對學生能力的要求及素質培養、訓練是多方面的，整個設計大賽過程，完全按照一個工程設計人員的要求來進行；參賽隊員提交的設計說明書、結構方案圖，計算書要求必須規范并接近結構設計的實際工作。面對這種實戰練兵，學生有作為一名土木工程師的責任感，可以通過優秀的作品展示和檢驗自己課堂所學知識，同時也是對參賽選手意志力的一種考驗，使學生適應當代經濟發展的需要。

5.結構模型設計大賽以學生為主體，每一個環節、每一個步驟都由學生自主獨立完成，高度激發了學生的好奇心和求知欲，高度自覺的潛意識激發了學生的創造潛力，使學生的主體意識高揚，極大地發揮了學生的主觀能動性。而大賽題目的綜合性、系統性和靈活性也提升了學生的知識更新能力、信息處理能力、方案比選能力、觀察能力、操作能力、把知識和才智轉化為生產力的能力以及分析問題和解決問題的能力。

四、結構模型設計中應注意的一些問題

在每次參加“結構模型設計大賽”前，我們均在校內的土木工程專業進行選拔，從中選出一到兩個模型參賽。對這入選模型，我們專門從結構選型、模型設計與制作等方面進行指導。如第一屆比賽“華夏6號”，在學校預選前，該隊同學已分別進行過5次模型實驗，并依次完善結構。最初的模型，結構的兩片主桁架除上部用三根垂直于主桁的平行桿件相連外，在兩側則通過兩根交叉棉線將上弦桿與支點相連。這兩根棉線在加載時，一根受拉，一根受壓。而棉線只能抗拉，不能抗壓，由此導致結構側向剛度明顯不足，使得在加載過程中，結構遠未達到豎向承載力而發生側向倒塌破壞。后來改為交叉桿件（用紙卷成的桿件）后，又由于上弦桿與支點之間距離較大，使兩片主桁的端斜桿（壓桿）因自由長度過大而產生面外失穩。另外，原計算模型中的對荷載的模擬也有問題，導致最危險桿件判斷錯誤，計算結果與實際情況產生較大的誤差。經過不斷改進和完善模型設計并進行結構優化，使最終的參賽作品“華夏6號”獲得了良好成績。在學校舉行預賽時，有一個拱型結構模型，拱軸采用許多空心六面體構件粘接而成，但由于這些構件之間粘接不牢靠，導致粘接面抗剪能力較弱。在加載時，系桿（采用棉線）由于產生了一定的松弛，導致所產生的拉力較小，無法保證拱軸構件之間產生足夠的壓力來抵抗剪切變形，最終在荷載較小的情況下，結構倒塌破壞，使得結構中看不中用。還有一個平行弦桁架模型，由于桁高較低，豎向剛度較小，結構的變形很大，承載力很低，同樣缺乏競爭力?？梢?，一個成功的結構模型設計，需要綜合應用相關力學知識和土木工程專業理論，對桿系結構的力學性能有較深刻的認識。根據這次比賽并結合我們的工程實踐經驗，我們認為結構模型設計和比賽中應注意如下幾個問題：

1.充分了解材料的力學性質。歷次比賽規定制作模型材料均為0號圖紙、棉線和乳膠。普通的棉線有較好的抗拉力，但松弛的現象比較突出。在模型制作中可以看到，前一天晚上綁緊的繩子，第二天早上就已松垮下來。平鋪的紙幾乎抗壓剛度，無法抗壓，所以利用圖紙來設計承受壓力的桿件，只有被卷成或折疊成一定形狀后才能發揮其承載力的作用。當紙張大小一定時，可以卷成壁厚、直徑小的桿件，也可以卷成直徑大、薄壁的桿件，前者局部剛度大，但受壓后可能發生整體失穩；后者截面慣性矩大，但可能發生局部屈曲而導致破壞?？梢?，各有利弊，要進行綜合考慮才能確定截面參數。在結構模型中，棉線只能單向受力，即抵抗拉力；而圖紙卷成的桿件可以雙向受力，既能用以抗拉，又能用以抗壓。這些特點都應了解掌握，才能設計出承載力高的結構。

2.結構選型和設計。歷次比賽中，大部分模型采用拱結構和桁架結構。從可以利用的材料角度看，這兩種結構是較理想的結構形式。因為只要設計合理，就可以充分發揮圖紙、棉線和乳膠的特長。在結構設計時，應盡量避免出現不必要的零桿（否則會增加模型的重量）。結構幾何尺寸中，盡量用大賽規定的最小寬度的下限，而高度則應根據受力情況定（因為在同等重量的前提下，增加結構高度比增加寬度，對提高結構的承載力更有利）。另外，為了使結構重量較輕，拉桿盡量采用棉線代替。要減少棉線的松弛現象，可以將棉線適當張拉后用乳膠浸泡，待涼干后使用。

3.計算工具的選取。參賽模型基本上是超靜定結構，其設計較靜定結構復雜。因為超靜定結構的內力與截面幾何尺寸有關，而截面設計時又涉及到內力，所以必須經過反復試算，才能得到桿件截面的幾何尺寸。顯然，采用手算不太合適，否則將花大量的精力用于設計，精度也不好控制。為此，最好采用通用結構計算軟件進行設計。我們的參賽隊使用的“結構力學求解器”和MIADS軟件。這兩種軟件使用方便，操作簡單，帶前后處理功能，非常適合結構的力學分析。首先用“結構力學求解器”進行平面設計，確定幾何參數，再用MIADS軟件進行空間計算，不斷優化和完善結構性能。

4.合理的力學模型。為了計算結構的受力特性，必須確定合理的力學模型（即計算簡圖），包括正確的施加荷載，模擬實際加載情況，以保證內力、位移和承載力計算結果的可靠性。

5.模型的制作。模型制作要精良，桿件的加工和整體拼裝工藝要可靠，以確保理論分析結果與實際情況相符合，否則模型的承載力將大打折扣。制作精良的功夫有待平時的訓練，多動手、勤思考，才能熟練掌握制作技巧，獲勝的機率才大。

6.模型的加載。在比賽時，最關鍵的是模型的加載，加載選手必須做到膽大心細，沉著冷靜，配合默契，才能保證荷載的對稱性和穩定性，確保結構的承載力接近預先估計結果。

五、結語

結構模型設計大賽是衡量高校土木工程辦學水平和教學質量的一個風向標，是開展“第二課堂”的一個較好方式，是檢驗創新、協作和實踐人才培養的一個較理想標準，對推動教學改革有著一定的意義。

參考文獻：

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