江蘇省土木工程學科競賽作品方案及分析

蔣躍楠　李國

摘 要 學科競賽作為高校培養大學生綜合素質和創新精神的有效手段和重要載體，對于推進校風學風建設，培養學生的創新精神、協作精神和實踐能力，激發學生的學習興趣和潛能具有重要作用。以2016年江蘇省大學生土木工程結構創新競賽為例，介紹金陵科技學院三組參賽作品的方案構思，利用有限元對參賽作品進行分析和完善，最后總結本次學科競賽在提升本校土木工程專業學生創新能力、教師教學能力等方面的成效，為同類比賽作品的創作與指導提供參考。

關鍵詞 土木工程；學科競賽；模型作品

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0105-04

Scheme and Analysis of Civil Engineering Competition works in Jiangsu Province： As Entries of Jinling Institute of Technology an Example//JIANG Yuenan， LI Guo

Abstract The subject contest is an effective means and important carrier for cultivating college students comprehensive quality and innovative spirit. It helps to promote the construction of school spirit，

train students practical ability and stimulate their interest and poten-

tial. As an example of Jiangsu province college students civil engi-

neering structure innovation competition in 2016， this paper intro-duced the scheme conception of three entries of Jin ling institute of

technology， by finite element their mechanical mechanism was ana-lyzed. Finally， its efficiency in enhancing the ability of students and teachers in civil engineering had been summarized， which provided a

reference for the similar works creation.

Key words civil engineering； subject contest； model works

1 前言

近年來，我國高校的創新創業教育發展迅猛，各種創新教育的理念及方法層出不窮，并取得一定的成效。學科競賽作為課堂教學的延伸，是提升大學生創新創業能力的重要平臺，對培養大學生的創新意識、創新思維和團隊合作精神，提高分析問題與解決問題的能力，具有十分重要的作用。該類競賽一般由賽事組織者給出題目，學生組隊參加，以制作作品的方式參與比賽，體現創新性是獲勝的關鍵。由于學科競賽在高校培養大學生綜合素質和創新精神、推進學風建設、激發學生學習興趣和潛能方面的作用較大，各級教育部門和教育工作者對該賽事十分重視。

2 江蘇省大學生結構創新競賽的內容及要求

江蘇省大學生土木工程結構創新競賽是一項由中國土木工程學會教育工作委員會江蘇分會即江蘇省土木工程教育委員會主辦，在全省高校中開展的具有導向性、示范性和群眾性的土木工程專業學術科技活動，自2005年以來，每年舉辦一屆，對推動江蘇省土木工程學科的創新活動起到非常積極的促進作用。

2016年，江蘇省大學生土木工程結構創新競賽在淮陰工學院舉辦，該比賽分結構模型展示和現場模型制作與加載兩大部分。根據《江蘇省土木工程專業大學生結構創新競賽一號通知》（2016），模型展示作品的最大單向尺寸要求小于800 mm，并能反映土木工程建筑必要的力學概念、結構概念和創新思維，鼓勵大學生在結構形式、傳力途徑、外觀造型及使用功能等方面進行創新。模型制作與加載試驗作品為空間桁架，要求模型的總長度為1000 mm、凈跨度為950 mm、寬度不超過200 mm，模型的加載試驗時間包括加載前的準備工作、加載試驗和清理現場等工作，限制在18分鐘以內；加載在10級之內完成，每級加載后必須持荷一分鐘以上才能施加下一級荷載。結構破壞的判定條件：

1）加載模型中任意一根骨架桿件發生斷裂或屈曲；

2）任意一個節點破壞或桿件間連接發生脫離；

3）模型整體垮塌；

4）現場專家認定模型已失效。

模型的最大承載量按失效時施加的前一級重量確定，成績承載比確定，即模型的最大承載力（kg）與模型重量（g）的比值。

3 參賽作品的方案構思

根據主辦方的比賽要求，金陵科技學院提交兩組模型展示作品和一組現場制作與加載作品，經過層層選拔，確定六位參賽選手。兩組展示作品有建筑模型和橋梁模型兩種，加載模型為一空間桁架。

本次參賽的建筑模型命名為“水榭疊扇”，其實體圖形如圖1所示。由圖1可知，模型外觀新穎，造型獨特，由若干單拱組合而成的骨架渾然一體；屋面采用新穎薄膜材料，輕盈典雅。其設計靈感來自于古典絹扇，主體拱流暢似扇骨，屋面清透似扇面，構成一幅素秀唯美的畫面，拱和挑檐的完美結合又營造了一種亦拱亦挑的動態氛圍，使建筑物舒展飄逸、神采飛揚，體現了一種蓬勃向上的活力之美。整個建筑物形狀飽滿、設計靈動，大小不同的兩組方案，視覺上形成對比，空間上層次感分明。endprint

該模型采用大跨度鋼結構，主要受力構件為單拱，單拱外側的飛檐部分通過樹狀支撐連接于主拱，使豎向荷載均勻地向下傳遞；屋面結構為橫向桁架和檁條，為防止拱底產生水平位移，在每一單拱的底端設置預埋拉鎖進行固定。

方案下拱上挑的形式可以使屋面雨水自動地向一處收集，實現水資源循環使用的綠色理念；屋面的ETFE薄膜材料可以通過控制充氣量的多少來調節遮光度和透光性，有效地利用自然光，節約能源，起到保溫隔熱的作用。

本次參賽的橋模作品命名為“騰飛”，其實體圖形如圖2所示。橋模作品是采用雙片主、副拱結構的斜拉鋼橋，從空間上看，雙片主、副拱線型流暢、氣宇軒昂，極具動感，由遠及近，視覺上如飄帶般絢麗奪目，又似蛟龍般跨江躍海，極富力度之美，寓意一種團結與奮進的力量。

橋模的主拱設計三跨，承擔主要荷載；副拱五跨，穿插于主拱之間，分擔主拱產生的內力；為增強結構的整體剛度和抵抗外部荷載的能力，在主、副拱之間布置了橫向和豎向剛性鏈桿。

該結構的荷載傳遞路徑為：橋面荷載→斜拉桿→主、副拱→橋墩和橋臺。雙片主拱在橋墩或橋臺處交匯，使得橋墩處的水平推力相互抵消，橋臺處水平推力得以減少，在整體結構上，主、副拱共同受力的形式要優于單純的斜拉橋結構。

本次參賽的加載模型作品如圖3所示。模型凈跨950 mm、

寬度90 mm、高度290 mm、重140.2 g，主要材料為輕質桐木，節點連接采用WD1001高性能結構AB膠，在現場制作完成，共耗費三個多小時。該模型的整體形狀為等腰三角形，底面設置兩根拉桿，兩側邊設計為上小下大的變截面空間桁架，桁架由三根通長的弦桿和若干短腹桿構成。為提高模型的承載性能，空間桁架的短腹桿設計成四棱錐狀，這樣布置不僅減少了弦桿中的受力，而且四角錐較好的對稱性使得結構整體不易變形。

模型的加載過程為：初始加載盤重150 N，第一級、第二級、第三級加載量均為153 N，當第四級荷載153 N加上時，模型持荷54 s后，底端右側的支座節點破壞，使得整個結構失效。因此，該加載模型的最終承載重量為609 N，載重比為434.38。

4 參賽作品的力學分析

本次學科競賽的參賽作品都是在不斷地進行受力分析基礎上完成的。在比賽準備階段，指導教師花費大量的時間與學生一起構思方案，利用有限元軟件反復對方案進行受力分析，然后根據數值模擬結果不斷修改和完善模型以達到最佳效果。圖4～圖6是用midas軟件對最后參賽作品的數值分析結果。

由圖4可知，建筑展示作品在均布豎向荷載作用下，下部主體拱結構及樹狀支撐部分基本都處于受壓狀態，其中最大壓應力出現在拱結構的內側上部，最大值是128.7 Mpa；

挑檐部分出現受拉區，最大的拉應力達到34.1 MPa，但拉、壓應力都小于鋼材的允許強度，因此，該大跨度拱結構是可以安全承載的。圖中樹狀支撐部分的壓應力基本相同，而主體拱中的壓應力差異較大，因此在制作模型時，樹狀支撐采用等截面構件，而主體拱則采用變截面結構，這樣可以充分利用材料，達到節約、經濟的目的。

圖5為橋梁模型的數值分析結果。由圖可知，在豎向和橫向荷載作用下，主拱為受壓構件，最大壓應力出現在拱底支座處，數值為211.5 MPa，副拱的受力情況較主拱復雜，其中間部分受壓而左、右側受拉，最大拉應力達到30.8 MPa，結構的最大拉、壓應力都小于鋼材的允許強度，因此是安全的。主、副拱之間的豎向剛性鏈桿以受壓為主，但主拱中間部分出現受拉桿。因此，對于本橋模這種主、副拱交叉的復雜結構，必須采用有限元軟件分析，使制作者明確結構體系的受力情況，進行合理選材。

本次參賽的加載模型為現場制作的三角形桁架，加載點位于頂點。根據圖6所示，當模型加載到第四級，模型總承載量為762 N時；結構中三角形頂點處的壓應力最大，為13.6 MPa；模型底端拉桿的拉應力最大，為6 MPa，它們的值遠小于桐木的抗拉強度和抗壓強度（根據文獻[1]，桐木的抗拉強度為50 MPa，抗壓強度為20 MPa）。因此，在此荷載作用下，結構構件本身是不會破壞的。比賽中出現節點連接破壞，文獻[2-3]中也強調木桁架的連接部位是結構的薄弱環節。因此，在以后的加載模型制作中，除了必須重視結構設計外，節點的連接也不能疏忽，采用鉸接和黏結相結合的方式更合適。

5 競賽成效

本次比賽，通過師生的共同努力和精心準備，金陵科技學院獲得一個一等獎、兩個二等獎的優異成績，更可喜的是通過參賽，教師和學生都有所收獲，受益匪淺。

對于學生而言，本次學科競賽培養了他們的創新性思維和主動學習的熱情，加強了他們的團隊意識和組織協調能力。在比賽準備過程中，學生首先認真研究以前的獲獎作品，在發現問題、分析問題的基礎上不斷推陳出新，獨辟蹊徑，拓展思路，創新能力得到較大提高。由于學科競賽以專業知識為依托，完成從理論到實踐的轉化，因此，學生除了需要掌握扎實的理論基礎外，還要自學一些前沿知識。在本次比賽創作過程中，大家充分發揮學習的主動性，經常與力學、建筑學、地下空間工程等專業的學生一起探討，共同尋找解決問題的方法。另外，作品對知識的潛在要求以及完成作品的“使命感”也迫使學生不得不相互合作、相互配合，積極利用一切資源，為作品的完成創造有利條件，這對參賽學生的團隊意識和組織協調能力的培養起到重要的促進作用[4]。

對于教師而言，學科競賽是提升自身能力的重要途徑，指導學科競賽的經歷有助于提高教師對本專業課程體系的理解和對所授課程的準確把握。因為指導教師是學科競賽的引領者，只有對專業知識做到綜合理解與運用，才能與學生一起完成具有實際工程意義的賽題。同時，學科競賽為教師提供了一個與兄弟學校同行相互學習的機會，找到了解本學科發展需求和趨勢的新視角[5]；指導學科競賽的過程本身也是一個教學研究過程，對教師反思已有的教學過程、增強教學能力很有幫助。

6 結語

江蘇省土木工程專業大學生結構創新競賽是培養大學生綜合素質和創新精神的重要平臺，對提高江蘇省土木工程專業學生的實踐能力作用巨大。金陵科技學院師生通過參加2016年的競賽，開闊了視野，培養了專業熱情，激發了學習興趣；在學校健全的學科競賽運行機制和明確的競賽保障經費支持下，比賽獲得優異成績。以后將以更積極的態度去參與各類學科競賽，師生共同努力，為全面培養創新型人才打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]孫訓方，方曉淑，關來泰.材料力學（Ⅰ，Ⅱ）[M].北京：

高等教育出版社，2002年.

[2]許曉梁，馬人樂，何敏娟.輕型木桁架靜力試驗及承載能力分析[J].特種結構，2006，23（1）：1-4.

[3]黃浩，何敏娟.輕型木桁架應用及設計[J].建筑技術，

2009，40（9）：815-818.

[4]邱文偉.大學生創新創業能力的培養和提升：基于學科競賽的功能效應[J].當代經濟，2015（1）：107-109.

[5]汪峰，劉鴻琳，劉章軍.以學科競賽促進橋梁工程課程教學改革探索[J].高等建筑教育，2016，25（2）：78-81.endprint