渡槽支承系統竹質結構模型設計與制作

高璠 付旭 李茜 王大光 劉曉立 王江 蹇志權 張冠宇 游業剛 李立斌

摘 要：以第一屆河北省大學生結構設計競賽為背景，介紹了參賽作品的設計與制作全過程，該作品采用了有限元軟件進行驗算與分析，并且最終加載成功。本次結構設計競賽以制作渡槽支承系統結構為目標，除了要求結構具有足夠強的承載力以外，還需要具有較高的輸水效率，并且對竹材的用量也有嚴格的要求，模型的制作難度非常大。文章的設計思路和模型的制作方法對結構設計競賽具有一定的參考價值。

關鍵詞：結構設計；競賽；模型制作；邁達斯；渡槽

中圖分類號：TU443 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0001-04

Abstract： With the background of the first college students' structural design competition in Hebei Province， this paper introduces the whole process of the design and production of the entries， which is checked and analyzed using the finite element software， and is finally loaded successfully. The aim of this structural design competition is to make the aqueduct supporting system structure， which not only requires the structure to have strong bearing capacity， but also needs to have a high efficiency of water conveyance， and it also has strict requirements on the amount of bamboo timber used. The making of the model is very difficult. The design idea and the model making method of the paper can provide reference for the structure design competition.

Keywords： structural design； competition； model making； Midas； aqueduct

我國的淡水資源總量為2.8124萬億m3，人均水資源量僅有2300m3，屬于干旱缺水的國家。由于我國的地理位置同時跨越高、中、低三種維度，使得水資源在時間、空間分配上極不均勻，從時間分配來看，具有夏秋多、冬春少的特點；從空間上來看，南方多、北方少，其中寧夏、河北等6省人均水資源低于500m3，屬于嚴重缺水地區。

跨流域調水工程是解決我國水資源分配不均這一難題的重要途徑之一。渡槽是一種可以跨越河渠、道路、山谷的的架空水工建筑物，能夠有效減小地形對輸水的限制，在輸水工程中應用較廣。第十一屆全國大學生結構設計競賽正是以渡槽支承系統結構為背景，旨在通過制作渡槽支承系統結構模型并進行輸水加載試驗，引導大學生綜合運用所學的基礎理論、實驗方法和專業知識，分析輸水時渡槽支承系統結構的受力特點，進而設計結構方案并進行優化，同時探討施工過程中的技術問題，從而培養學生的科學素養、創新設計能力以及工程實踐能力。本文從競賽賽題要求出發，對渡槽支承系統結構模型的設計和制作過程進行分析，基于Midas有限元軟件對渡槽支承系統大跨度結構模型的承載能力和變形能力進行分析，為今后渡槽支承結構設計提供了一種新的思路。

1 賽題分析

1.1 賽題基本要求

競賽賽題要求參賽隊制作一組渡槽支承系統結構模型，并通過加載和卸載測試。加載裝置主要包括輸水裝置（由128L的水桶、0.75kW的水泵和輸水管等組成，其中輸水管為加筋軟管并用來模擬渡槽）和承臺（用于固定模型），加載裝置三維示意圖和平面示意圖如圖1和圖2所示。

模型結構形式不限，支承個數不限，但是必須采用組委會提供的給定用量的竹材、502膠水和制作工具現場制作。竹材規格及用量如表1所示。

制作完成后的模型在25分鐘內安裝在承臺板上，將水抽入輸水管中，要求載入水量大于50kg，并持荷20秒不發生整體垮塌；卸載要求在2分鐘之內完成，剩余水量小于10kg，并計算輸水效率。

1.2 材料分析

充分認識材料的力學性能是對模型結構進行合理設計的基礎。竹材的彈性和韌性較好，順紋的抗拉強度高，接近鋼材的一半，而密度僅為鋼材的1/10，具有較好的力學性能，競賽所用竹材參考力學指標如表2所示。

由材料力學知識可知，空心桿件要比實心桿件更能充分利用材料，因此可由竹片制作薄壁式桿件。桿件的截面形式可為圓形、矩形、三角形等，從手工制作難易程度分析，圓形截面更容易制作。經過多次不同制作工藝和實際加載測試，將0.5mm厚的竹片沿垂直紋理方向卷制兩層的薄壁圓截面桿件可作為主要受力構件。其它兩種竹片可作為基礎和橋面板使用。竹條與竹片相比，不能抗壓，可用來制作拉桿或拉索等受拉構件。

1.3 路徑分析

如圖1和圖2所示，賽題要求將水從入水口輸送到出水口（即圖1中的4到10位置），入水口與出水口之間的高差為200mm。輸水管的路徑走向是首先考慮的問題，路徑短則耗費的材料少，在制作過程中材料會更充足，并且質量也小，在公式計分上會更高。

其中，賽題的隱藏要求是輸送路徑的正投影必須要經過圖2中的A、B兩點，在此前提下，只能設計連接入水口與A點之間的長達1m的大跨度支承結構。

在路徑選擇方面有下列三種方法：

（1）按照圖1示意圖的路徑進行設計。這是最常規和普遍使用的方式，該方式的缺點是大跨度支承結構的制作需要耗費較多的材料，剩余材料較少。

（2）輸水管從入水口處按逆路徑走，在到達A點之后再做大跨度支撐結構。此路徑優點在于水流從入水口處流出后，避免了直接經過大跨度斷面，在路徑最后階段才經過大跨度斷面，減小了大跨度支撐結構所受到的動載荷。但是由于沿途的水頭損失，會造成輸水效率的降低。

（3）路徑為輸水口→A→B→A出水口，此路徑優點是節省了一半的路徑材料，是非常好的方案，但是缺點是輸水管需要交叉重疊，相當于增加了兩倍輸水管的重量，在大跨度支承結構處設計難度加大。

2 模型結構制作工藝

經過對賽題的仔細分析，本文最終選取了第一種路徑方案。基于該路徑方案的模型結構制作過程按照試驗臺四邊分為四個階段：第一個階段為大跨度橋梁階段；第二階段為過A、B兩點階段；三階段為離入水口最遠距離的階段（即圖2中試驗臺下邊

階段）；第四階段為出水口階段，其中轉角處均進行加強處理。

2.1 第一階段：大跨度橋梁制作階段

該階段耗費材料和時間最長，也是整個制作過程中的最重要階段，根據現代渡槽支承結構形式可選擇梁式、拱式、斜拉式等結構構型，在經過多輪方案比選后，最終確定模型結構構型為斜塔斜拉橋形式，該結構形式如圖3所示。該階段的詳細制作要點如下。

2.1.1 斜拉塔的制作

塔的制作是用兩張厚竹片卷成圓筒，在保證塔本身具有足夠強度下，盡可能將截面面積擴大，最后用膠水粘接。將塔下部分適量切除，將塔做成斜塔。受到A、B兩點的限制，在遠離入水口處的位置上只能制作直塔。直塔和斜塔的后面都加上了背索，將竹片逆紋路卷成圓形矮樁用于固定背索。在制作過程中要保證以下幾點：

（1）各種桿件需要卷成空心，這樣做可以盡量擴大截面面積，增大慣性矩，保證穩定。

（2）滿載時，橋面板上的水重量過大，模型中間彎矩過大，易造成塔的拉應力破壞，因此出水口采用斜塔形式。將水的重力載荷盡可能多地轉變成軸向力。但是需保證兩個斜塔的傾斜角度相同。

（3）塔的身后加上背索，利用材料本身所具有的較強的抗拉性能，保證提供足夠的水平力來抵抗重力載荷對塔身所產生的拉應力。

2.1.2 橋面和拉索制作

橋面用扁平竹條和厚竹片制作，制作過程如圖4所示。

首先用扁平竹條設計出基本的橋梁骨架，再將厚竹片逆紋路平鋪到橋面骨架上，并進行粘貼。最后裁剪竹片成條狀，作為拉鎖。制作中的要求如下所示：

（1）橫向竹條在連接時應挖出槽口，保證連接的穩定，縱條不挖。

（2）在粘貼拉索時，需要注意要用力拉拉鎖，將橋面拉出一個向上的預應力，如果沒有預應力在模型裝滿水之后橋面會在中間塌陷，對結構造成破壞。

2.2 第二、三、四階段制作

其余三個階段的制作比較簡單，與斜塔制作相似，將剩下的竹片制作成圓筒狀，兩個圓筒之間通過正方形截面竹條進行連接粘貼。粘貼好后，將橋面粘貼在上面，制作橋面的方法與第一階段相同。出水口與入水口之間的高差在250mm左右，盡量將橋面制作成具有連續較小坡降的坡度，如果坡降太大，會導致水流動對模型局部產生較大的動載荷，避免造成局部破壞。第二、三、四階段支承結構如圖5所示。

轉角處需要考慮水流的湍流作用，因此轉角處需要設置支撐構件來進行加強處理，以克服湍流所產生的剪力與彎矩。

加載過程中，第四階段的支承結構在加載時會出現晃動，分析后確定主要是轉彎處水流會產生不同方向動載荷，因此在第四階段并沒有制作成雙排柱子，而是將兩個柱子的材料合成在一起制作成了一個立柱，截面面積做到最大，保證慣性矩最大，同時在輸水管與立柱的接觸處利用竹片裁成的竹帶進行捆綁，另外結構高度也降低了較多，這些措施保證了支承柱結構的穩定性。

3 結構模擬驗算與分析

本文采用Midas Civil有限元軟件對模型結構進行驗算與分析。軟件驗算與分析流程如圖6所示。

3.1 建立節點單元

Midas Civil有限元軟件提供了多種節點建立方式，在建立初始可能比較簡單，但是在節點單元增多后，如果模型出現問題，那么避免不了修改大量的單元節點，所以可以在建立節點時，對節點進行分組，后期出現問題可以在組內進行尋找，這樣修改會比較方便。

3.2 材料與截面特性

建立單元后需要考慮選取單元類型。由于競賽的材料主要為竹材和PVC輸水管，在Midas Civil有限元軟件特性欄中并沒有這兩種材料，在驗算時需要查找相關材料力學參數資料并通過自定義的方法重新設置。由于繪制的單元并不是實體，在設置完材料特性后，需要將本單元的材料和截面應用到單元里，以便進行后面的分析。本文所設置的材料和截面特性如表3所示。

3.3 邊界條件

本步驟是根據竹質模型的實際情況來對有限元模型的邊界進行約束，限制節點位移與扭轉。實際竹質模型的邊界條件中包含固定螺栓，為了模擬方便，在有限元模型的邊界條件中去掉螺栓，這樣的計算結果能夠保證模型具有足夠大的承受載荷的能力。

3.4 施加載荷

Midas Civil中可施加多種荷載，可根據實際情況設置模型所承受的載荷大小，并對載荷進行編輯，最后施加到模型中。本次模型加載需要進行兩次載荷分析：首先是靜力荷載，在水流加載完成后，輸水管中的水是靜止狀態，此時對模型施加靜力荷載最合適的；其次，也需要分析動力載荷，在加載和卸載的過程中，水是流動的，這時需要考慮流動對模型的影響。

3.5 模型分析

在上述步驟完成后對模型位移和變形情況進行分析，模型位移情況如圖7所示，結構中各桿件所受應力大小可以通過各桿件的位移顏色直接展示。

4 結束語

雖然本次結構設計競賽是制作渡槽的支承系統模型，但是其實主要考察橋梁的設計與制作工藝。本文模型在稱重和輸水效率方面具有較大優勢，在橋梁構型方面選擇的是桁架與拱的組合形式，做到了質量最輕，對于本次結構設計競賽的各種構型中是最好的選擇。

在本屆河北省大學生結構設計競賽中，本文制作團隊從賽題基本要求出發，借鑒了實際中的橋梁形式，并通過邁達斯有限元驗算，將橋梁理論成功運用到渡槽支承系統的設計之中，做到了理論與實際情況相結合。同樣，其它參賽隊的模型的制作非常值得借鑒。通過事實證明結構設計競賽是實踐性很強的賽事，只有將力學理論和專業知識融入到實踐中才能最大限度提高設計與制作水平。

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