結構設計競賽之渡槽結構模型

(太原城市職業技術學院， 山西 太原 030027)

0 引言

為了培養大學生創新、合作精神和實踐動手能力，促進高校之間學習交流，我省在2017年7月中旬舉辦了2017年山西省首屆大學生結構設計競賽，競賽題目選用國賽題目“渡槽支承系統結構設計與制作”。

1 賽題回顧及分析

1.1 基本裝置

輸水裝置主要由水桶、水泵、進水管、出水管、輸水管等組成。進水管及出水管為硬管，輸水管為加筋軟管，兩端分別與進、出水管相連，自然狀態長度為6.5m[1]。進水管管口底部到承臺板面高度為 450mm，出水管管口底部到承臺板面高度為 250mm。承臺包括鋼管加勁承臺板及承臺支架，承臺板直接擱置在承臺支架上。承臺板用于固定支承系統結構模型，采用免漆木芯板板材，板面設有二個固定灌溉點A、B。

1.2 規則及評分標準

渡槽模型選型不限，模型用于支承輸水管, 支承個數不限，可自行選定輸水路線，但輸水管在承臺板上的正投影必須覆蓋承臺板面A、B二點。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；模型制作時間共18小時，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，模型與承臺板之間采用自攻螺釘連接，安裝時間不得超過25分鐘。

主要評分標準：模型加載（35分）：輸水管滿載時，關閉閥門，結構體系需承受500KN豎向荷載20秒不發生整體垮塌，模型應滿足豎向荷載產生的壓力。另外，還需考慮通過改變柱高度而改變結構高度，使結構體系自然降坡，不至于在參賽隊員打開出水管閥門時，因坡度驟降而沖垮結構。根據計分公式，結構安全穩定的前提下，結構自重越輕，持荷越大，得分越高。模型卸載（15分）：通過坡度的設計要保證排水環節，在2min之內排水完畢，2min排水完畢后稱重，卸載成功的條件與加載相同，當輸水損失大于10kg時，卸載為0分。輸水效率（25分）：卸載后水管內殘留水量越少，輸水損失越小，效率越高，得分越高。

2 結構方案選型

2.1 方案構思

經試驗，若沿軸線順時針正方向布置水管，則水管長度較中心線長200-400mm左右，多余的水管在拐彎處不容易固定，容易在順時針第三跨產生傾覆力矩，使得第三跨在平面內失穩，導致結構破壞。因此，本方案采用水管逆時針反向布置，一方面通過水管在出入水口處的交叉利用了部分多余水管長度，克服了失穩問題；另一方面，在一米跨處反向使結構柱降低，利于減輕自重，提高一米跨處的承載能力和穩定性。且通過出水口水管彎折可減小出水閥處水流沖擊力，回水口水管基本平直可以加快排水，模型空間布置如圖1所示。

圖1 模型空間布置圖

2.2 結構選型

“塔之重任”選擇的張弦梁桁架和塔架結構。

大跨處利用張弦梁桁架結構，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強度，在跨度較大時可比實腹梁節省材料，減輕自重和增大剛度。上弦利用不同截面的竹條組合成T形截面，加大了桁架的剛度，提高了它的承載力，下弦利用竹皮的抗拉性能做出下弦弧，充分利用了材料的特性。安裝固定時可將竹皮末端拉緊與承臺板固定，使張弦梁結構的受力機理為通過在下弦拉索中施加預應力使上弦壓彎構件產生反撓度，結構在荷載作用下的最終撓度得以減少，而撐桿對上弦的壓彎構件提供彈性支撐，改善結構的受力性能。在荷載作用下拱的水平推力由下弦的抗拉構件承受，減輕拱對支座產生的負擔，減少滑動支座的水平位移。充分發揮了剛柔兩種材料的優勢。考慮到三角形結構的穩定性，張弦梁桁架立柱采用三角格構柱。

塔架結構的思路來源于實踐經驗，大型建筑物支撐、水塔塔架、監控工程、通訊工程等常見形式。塔架結構的優點是傳遞荷載明確，自重輕，節省材料，承載能力強，缺點是手工制作困難，耗費時間長，節點多，加固處理繁瑣，一旦節點破壞，則會破壞整個結構的受力情況，要求手工制作精細準確、節點連接結實可靠。為了使立面造型富有變化，“塔之重任”采用了梯形和三角形兩種形式，梯形塔架在結構頂部延伸出一定距離，仿照工程中懸臂梁的作用；三角架在頂點處連接T型梁墊片，與水管底部的接觸面積加大，可提高結構承載能力及穩定性，同時也便于與水管綁扎。

2.3 節點設計

張弦梁桁架結構相交的節點由于在施加動載時會引起較大的剪力，在節點處設計用最薄的竹片剪切成竹條將節點部位進行綁扎，從而在結構受力計算時模擬成剛接節點。立柱斜撐與橫梁相交時，將斜撐銼出凹槽，與橫梁搭接，并用小竹片的輔以膠水粘接，加大節點接觸面積，避免直接穿插的榫接節點破壞材料的局部力學特性[2]。

3 結構設計計算

由于該結構為多次超靜定結構,手算過于復雜且難以得到精確的結果,本次競賽建模及計算分析采用Midas Civil有限元分析軟件。

3.1 計算假定

（1）假定竹材材質連續均勻，實際尺寸與理論尺寸無偏差。

（2）節點處用膠水進行粘接，其實際作用介于剛接與鉸接之間，剛接作用較強，當節點連接有效可靠時所有梁柱節點連接可假定為剛接節點計算；柱子假定為軸心受壓構件，忽略初始變形及實驗安裝偏差；柱腳底板通過自攻螺釘與臺面固定，取為理想的固定約束。

3.2 模型加載

當結構加載及卸載過程中，結構模型承受水流的動力作用。在計算模型時,將水流荷載在靜荷載基礎上乘以1.2的動力放大系數轉換為靜力荷載進行分析，經計算，最不利荷載為90N/m。

3.3 承載能力計算

將線荷載與結構自重進行工況組合，計算后得到結構的模型組應力云圖結果：結構應力最大的位置在梯形塔架頂層連接梁中間連接部分，應力最大值為16.2N/mm2，已知竹材抗壓強度為30MPa=30 N/mm2，因為最大應力并未達到材料的抗壓強度，根據建筑結構荷載規范規定，結構安全可靠[3]。

4 結語

通過比賽，我們有以下收獲：（1）合理的設計方案是保障結構安全穩定的前提。（2）鞏固學生的專業領域知識，培養學生用理論知識去解決實際問題、優化方案的能力，提高了學生團隊協作精神和動手操作能力。（3）利用有限元分析軟件對結構模型進行受力及變形計算。（4）本次結構雖然與理論計算一致，但是結構仍然有優化提升的空間，這也為今后我院參加結構大賽提供了寶貴的經驗。

[1]陸華 肖漢 周進勇 結構設計競賽中渡槽支撐結構的設計與分析 建筑工程技術與設計 2017年11月[J].489-491

[2]馬肖彤 金建輝 戚海冕 韓威 結構設計競賽中渡槽支撐系統模型設計與制作 科技視界[J].58-59

[3]中華人民共和國建設部 . 建筑結構荷載規范（GB50009-2012）[S]. 中國建筑工業出版社 .2012