結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽在橋梁工程教學(xué)中的應(yīng)用探討

王金枝

摘 要：以湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為基礎(chǔ)，以提高學(xué)生創(chuàng)新能力為目的，結(jié)合橋梁工程設(shè)計新理論新技術(shù)的發(fā)展，對橋梁工程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了討論。提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽在《橋梁工程》中的應(yīng)用情況，并提出了今后《橋梁工程》理論和實(shí)踐的教學(xué)改革的措施。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽 橋梁工程 教學(xué) 創(chuàng)新

引言

《橋梁工程》是土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，它綜合了理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和土木工程材料等課程的相關(guān)知識，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的選型、荷載組合、結(jié)構(gòu)的反力內(nèi)力應(yīng)力的求解、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度的判斷和應(yīng)力集中效應(yīng)等方面。

由于涉及的先修課程較多，要求學(xué)生對先修課程的基本知識基本概念有較清楚的認(rèn)識，從而在橋梁結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造原理和設(shè)計計算方法，橋梁設(shè)計工作的過程，橋梁的設(shè)計荷載及荷載組合等方面的知識點(diǎn)有更好的掌握能力，能更好的應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)，為橋梁結(jié)構(gòu)的新理論、新材料、新方法打基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽是土木類專業(yè)性和實(shí)踐性最強(qiáng)的學(xué)科競賽[1]，是在賽題的要求基礎(chǔ)上選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算，制作模型直至模型加載成功，在結(jié)構(gòu)模型從選型到最后加載過程中，都應(yīng)用到了橋梁工程的相關(guān)知識。以2018年省結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的指導(dǎo)過程為基礎(chǔ)，結(jié)合目前《橋梁工程》的教學(xué)內(nèi)容和方法，提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽在《橋梁工程》中的應(yīng)用情況，并提出了今后《橋梁工程》理論和實(shí)踐的教學(xué)改革的措施。

一、賽題介紹

2018年湖北省結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計并制作一個大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型，采用竹材為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

模型構(gòu)件允許的布置范圍為兩個半球面之間的空間。在半徑為 150mm 和半徑 260mm 的兩個圓上共設(shè)置8個加載點(diǎn)，比賽時將施加三級荷載，第一級是豎直荷載，在所有8個點(diǎn)上施加豎直荷載，第二級荷載在內(nèi)圈及外圈加載點(diǎn)中各抽簽選出2個加載點(diǎn)施加豎直荷載，第三級荷載在內(nèi)圈加載點(diǎn)中抽簽選出1個加載點(diǎn)施加水平荷載，在前兩級荷載基礎(chǔ)上，施加變方向水平荷載。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽在橋梁工程教學(xué)內(nèi)容和方法的應(yīng)用

1.結(jié)構(gòu)選型

下部三角支撐結(jié)構(gòu)從高壓塔架中獲得靈感[2]，采用桁架結(jié)構(gòu)，上部拱架結(jié)構(gòu)從剛架拱橋中獲得靈感，采用剛架拱結(jié)構(gòu)，采取剛架拱-三角支撐的結(jié)構(gòu)體系。

在《橋梁工程》教學(xué)中，重點(diǎn)講述了橋梁結(jié)構(gòu)的梁、拱和索三大基本體系，梁是受彎構(gòu)件，拱是受壓構(gòu)件，索是受拉構(gòu)件，在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，或者其它結(jié)構(gòu)中，總可以歸結(jié)為三大受力體系中的一種或幾種的綜合運(yùn)用。在大跨度結(jié)構(gòu)中，則更需要充分利用結(jié)構(gòu)受力的特性，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。

2.模型尺寸確定

為滿足賽題要求的同時，減小模型的用量，提高屋蓋結(jié)構(gòu)的承載力[3]，模型設(shè)計點(diǎn)緊靠內(nèi)圈位置[4]，模型內(nèi)支點(diǎn)設(shè)置在半徑為435m的半徑上，高度設(shè)置為420mm，見下圖1。 內(nèi)圈四個點(diǎn)圍成一個正方形，截面選用3*3mm竹條，中間十字叉選用6*6*1mm箱形，外圈加載點(diǎn)用1*6竹條連接，內(nèi)圈四點(diǎn)與外圈四點(diǎn)之間桿件采用6*6*1mm箱形，其余粗桿選用10*10*0.5mm箱形，塔架之間用3*3竹條連接。

在《橋梁工程》教學(xué)中，通過分析可知，橋梁跨度越大，所受到的荷載越大，設(shè)計和施工的難度越大。因此在允許的情況下，應(yīng)該盡可能的減小結(jié)構(gòu)的跨度，可以減小結(jié)構(gòu)的受力。在此結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因?yàn)橄拗屏私Y(jié)構(gòu)的內(nèi)徑和外徑，所以模型的跨度應(yīng)該在滿足要求的前提下，盡可能的減小，以減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。同時，在教學(xué)中，分析拱結(jié)構(gòu)受力的時候，會強(qiáng)調(diào)矢跨比的取值對拱結(jié)構(gòu)的影響，矢跨比越小，結(jié)構(gòu)受力越大，矢跨比越大，受力小，但桿件增大，會造成材料的浪費(fèi)，因此，通過綜合比較，應(yīng)該選取比較合適的矢跨比，內(nèi)圈四個加載點(diǎn)和外圈四個加載點(diǎn)不同時位于最靠內(nèi)徑的位置，應(yīng)該將內(nèi)圈四個加載點(diǎn)適當(dāng)抬高，增加矢跨比以適當(dāng)減小內(nèi)力。

3.荷載組合

由于本次賽題二級荷載是隨機(jī)抽取的6個荷載工況的一組，三級荷載也有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個加載位置，對應(yīng)24種靜載加載工況。

在《橋梁工程》教學(xué)中，結(jié)構(gòu)受到的力在不同的時間承受了不同的力，那么在分析橋梁結(jié)構(gòu)中，不能也不需要把所有的荷載都計算在內(nèi)，只需要計算出幾種極限狀態(tài)下的受力狀態(tài)，比較幾種極限狀態(tài)下的受力值，那么橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用過程中，其受力狀態(tài)基本不會超過選取的幾種極限狀態(tài)的值。如本次結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽賽題，各種二級加載點(diǎn)和三級加載點(diǎn)組合后，如果不能確定哪種工況受力最大，則需要分別算出結(jié)構(gòu)位于各個位置共24種工況下的位移和內(nèi)力應(yīng)力分布情況，取其中的最大值進(jìn)行分析。

4.結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度的判斷

這里選取一種的一種工況（一級荷載+二級荷載（e）+三級荷載Ⅳ）滿載情況下，進(jìn)行強(qiáng)度剛度的計算。計算得到的位移和應(yīng)力分別見圖2和圖3。

豎向位移最大值為2.1mm<12mm，符合要求。由圖可知，最大壓應(yīng)力19.8MPa<30MPa，最大拉應(yīng)力15.2 MPa<60MPa，符合要求。

在《橋梁工程》教學(xué)中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件能不能承受重量，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度剛度分析，主要就是分析其在荷載作用下，抵抗變形的能力以及材料所受應(yīng)力有沒有超過允許值。用結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽賽題的分析，可以讓學(xué)生更加領(lǐng)會強(qiáng)度剛度分析的應(yīng)用情況。

5.應(yīng)力集中效應(yīng)分析

在《橋梁工程》教學(xué)中，必須會講到在構(gòu)件形狀、線形變化位置，應(yīng)力分布不均，會造成局部應(yīng)力增大的情況，局部應(yīng)力增大有可能會造成局部破壞，從而影響到整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布，嚴(yán)重的造成整體結(jié)構(gòu)破壞。所以，有可能發(fā)生應(yīng)力集中的位置，通常都需要采取一定的加強(qiáng)措施。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中的結(jié)構(gòu)模型中，各個節(jié)點(diǎn)就是應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)該進(jìn)行局部加強(qiáng)。其中外圈加載點(diǎn)受力最大，也是桿件最多的位置，有五根桿件匯聚于此，此節(jié)點(diǎn)為重點(diǎn)處理對象，主要方法是將下端三個桿件按拼接角度削成適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行拼接，時候在與上部的兩個桿件上下拼接，中間的接縫位置再塞進(jìn)適量的竹片，將上下桿件的縫填滿，再用502膠水粘合，再在兩側(cè)裝上1*6mm的竹條，為了美觀，外包0.25mm厚的竹皮。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的主要任務(wù)就是利用結(jié)構(gòu)的知識，綜合運(yùn)用力學(xué)和材料的相關(guān)知識，對各種結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)有清楚的認(rèn)識，初定構(gòu)件的基本尺寸，同時利用結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行數(shù)值分析，再由初定尺寸進(jìn)行模型制作，制作完成后進(jìn)行加載試驗(yàn)，再根據(jù)加載結(jié)果進(jìn)行模型的調(diào)整和進(jìn)一步的改進(jìn)。在整個過程中，都涉及到了橋梁工程的相關(guān)知識點(diǎn)，都可以用來作為《橋梁工程》理論教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中，以結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽為基礎(chǔ)，能更好地讓學(xué)生理解各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互關(guān)系，選型、節(jié)點(diǎn)的位置、桿件截面等參數(shù)的變化對整個結(jié)構(gòu)受力的影響。

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽是一項(xiàng)具有創(chuàng)造力的競賽，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，鍛煉學(xué)生的動手能力和團(tuán)結(jié)合作能力，是橋梁工程理論和實(shí)踐教學(xué)中一種重要的方式。

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