渡槽支承系統結構模型性能優化及試驗研究分析

廖玉鳳 敬德磊 張澤林 郭小萍 江昕宇

【摘 要】本文基于全國大學生結構設計競賽賽題——“渡槽支承系統結構設計與制作”，進行渡槽結構模型的設計方案優化。通過有限元軟件Midas/Civil分析及結構模型加載試驗，探討渡槽支承系統中橋梁結構模型優化設計。

【關鍵詞】渡槽支承；結構模型；優化設計

中圖分類號：TU323 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0107-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.051

1 賽題背景及分析

賽題內容為制作渡槽支承系統結構模型并進行輸水加載試驗。模型結構形式不限，支承個數不限，所有桿件、節點及連接部件均采用給定材料與膠水手工制作完成；輸水管可捆綁、吊掛或擱置在模型上，只允許使用給定材料連接，不得直接使用膠水粘結輸水管；支承系統結構模型用于支承輸水管，可以自行選定輸水路線，但必須經過兩個指定的灌溉點。材料為本色復壓竹材，共提供了6種規格，給定了竹材的參考力學指標。但是竹材材性變異大，且抗彎強度一般比抗壓強度大[1]，制作的模型中受彎構件是普遍存在的。實驗室購買的竹材力學性質存在一定的差異，制作模型時選用顏色深、力學性質好的竹材，以材料的實際力學性質為準。

2 試驗方案和結構選擇

本次試驗選擇橋梁結構和柱相結合的方案，在無承臺處選擇橋梁結構，在有承臺處選擇柱作為支承結構，輸水管自然放于橋和柱之上。橋跨結構的縱梁選擇張弦梁和桁架的組合形式。張弦梁是一種由下弦柔性拉索與上弦剛性壓彎構件通過撐桿連接形成的結構體系，常用于大跨度屋面結構[2]，同時具有承載能力高，荷載作用下變形小的特點。本試驗中連接上弦與下弦的撐桿采用豎桿和斜桿相結合的方式，豎桿和斜桿在下部相連于一點，上部支撐受彎的縱梁，與縱梁構成桁架體系，縱向兩撐桿之間通過撐桿下端橫向桿件連接，保證了兩個方向的穩定性。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

通過改變橋梁結構和柱形式，共進行了10次加載試驗，選取其中兩次加、卸載都成功的試驗數據如下：模型1、2總質量；橋跨結構質量及荷重比分別為251g、182g；114g、63g；19.48N/g、2.692N/g。

3.2 橋跨結構受力分析

橋跨結構是整個結構模型中主要承重部分，現重點分析其受力情況。橋跨結構除受自身的重力外，主要承受其上輸水管重力及管中水的沖擊作用，其中水的作用是最主要的作用。本次試驗中的橋跨結構為多次超靜定結構，采用有限元分析軟件Midas/Civil做受力分析。結構中各桿件節點處按剛接處理，上弦壓彎構件為梁單元，下弦拉索為索單元。輸水管重量和靜水荷載按分布力考慮，計算時將水流靜荷載乘以 1.2 的動力放大系數轉換為動力荷載進行分析[3]。

3.2.1 模型1受力分析

橋跨結構模型1如圖1所示。模型1的應力云圖如圖2所示，圖中結果顯示梁和柱的應力都較小，拉、壓應力都未超過5N/mm，撐桿中的最大壓應力為11.9N/mm，最大拉應力為4.5N/mm。下弦的最大拉力為22.3N，最大拉應力為5.6N/mm，應力值較小?？v梁跨中的最大位移僅為1.1mm。

在試驗時橋跨結構較穩定，幾乎無變形，軟件計算結果與試驗較符合。模型1的橋跨結構還未充發揮

材料的性質，有較大的優化空間。

3.2.2 模型2受力分析

由模型1觀察到橋跨結構在加載時較穩定，變形小。模型2中的橋跨結構以模型1為基礎，減小縱梁和柱的截面尺寸，縱梁僅為提供的1mm×6mm的竹條（實際尺寸為1.7mm×6mm），抗彎能力很小，并去掉部分的豎桿。橋質量由115g降為63g。預計橋跨結構會有較大的豎向位移，對縱梁進行預拱。模型2如圖3所示。

模型2的組合應力如圖3所示，隨著各結構桿件的截面面積的減小，模型2相對于模型1的模型，組合應力相應變大。模型2中的縱梁在靠近斜柱的部位出現應力峰值，應力值較大；撐桿中也出現應力較大桿件。下弦的最大拉力為34.0N，最大拉應力為5.7N/mm。在縱梁的抗彎能力變小后，下弦的拉力變大?？v梁的最大豎向位移出現在跨中截面，為4.7mm，相比模型1，縱梁的豎向位移增大較多。

軟件計算結果顯示，在圖4箭頭所指的結構單元是整個縱梁中受組合應力、剪應力和彎矩都較大單元，是模型受荷時較危險的單元。模型中此位置可能會發生破壞，考慮結構的安全，應加強處理。

4 結論

基于上述試驗加載和理論計算分析結果，得出渡槽支承系統模型性能優化的一些心得如下：

（1）試驗中，由于水管路線的改變，橋跨結構是整個模型中承受荷載時間最長的部分，受力情況復雜，尤其是在加、卸載階段，這要求結構在多個方向都有足夠的承載力、穩定性及剛度；

（2）為提高總體模型輸水率，橋面可設置預拱度，設置預拱度時應考慮到竹材本身的彈性，卸載時橋面會有一定的回彈。此外橋兩側應設置適當高差，當預拱度過大或過小時，可減小輸水損失；

（3）由于材料本身的性能差異以及制作工藝誤差，軟件分析無法準確模擬結構實際受力情況，故結構設計時不能完全依賴軟件，僅起輔助設計作用。本次試驗中，借助軟件模擬模型受力，有助于加快設計進度，優化結構，指導材料使用，讓實際模型的材料使用更充分合理。

（4）水管能否滿載與模型整體坡降設置有關，而坡降又影響柱間距，從而影響支撐數量及材料用量。坡降起始位置支撐柱高度過高，坡降持續距離過長，結構將無法滿載，而坡降過小，即水管過于平緩，為滿足輸水率，需減小支撐之間的距離，以降低水管撓度，減小輸水損失，但材料用量增大。故坡降、柱間距、材料用量間存在一個平衡點，可進一步進行深入研究。

【參考文獻】

[1]楊中強，祝頻，黃世能，趙霞，羅建群.8種叢生竹竹材物理力學性能研究[J].廣東建材，2011，27（06）：129-131.

[2]劉強.大跨度張弦梁結構的靜力性能研究[D].華南理工大學，2012.

[3]馬肖彤，金建輝，戚海冕，韓威.結構設計競賽中渡槽支承系統模型設計與制作[J].科技視界，2017（12）：58-59.