大跨度空間屋蓋結構模型的設計與制作
——以2018年遼寧省大學生結構設計競賽為例

邢犇犇 徐金花 白泉

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院 遼寧沈陽 110870)

0 引言

全國大學生結構設計競賽，是面向土木工程專業本科生的一項考驗理論知識應用和動手操作能力的比賽,旨在培養大學生的創新能力動手實踐能力和對知識的運用能力，為高等學校開展創新教育和實踐教學改革加強高校與企業之間聯系推動學科創新活動起到積極示范作用，是一項富有科學性和挑戰性的學科競賽[1]。2018年遼寧省普通高等學校本科大學生結構設計競賽在沈陽建筑大學舉行。

1 賽題的回顧與分析

該次競賽賽題要求參賽隊設計并制作一個大跨度空間屋蓋結構模型，要求針對靜載隨機選位荷載及移動荷載等多種荷載工況下的空間結構進行受力分析模型制作及試驗。此3種荷載工況，分別對應實際結構設計中的恒荷載活荷載和變化方向的水平荷載(如風荷載或地震荷載)。通過較為精確的荷載計算和內力計算，設計出輕質高強受力可靠的空間屋蓋模型。模型構件，允許的布置范圍為2個半球面之間的空間，內半球體半徑為375mm，外半球體半徑為550mm。模型需要在指定位置設置8個加載點。加載分為三級，第一級加載，在8個點同時施加豎向荷載；第二級加載，在第一級的荷載基礎上，選定4個點，每點施加豎向荷載；第三級，在前兩級荷載基礎上，施加變方向的水平荷載。

2 結構選型

2.1 結構體系

結構選型，要充分考慮比賽要求加載方式材料的特性。實際工程中，大跨度屋蓋結構，主要采用剛架結構桁架結構拱結構等。剛架結構，由直線形桿件通過剛性結點連接而成。桿件較少，制作方便，但剛度較差，受荷后產生的撓度較大。桁架結構，由上弦桿下弦桿和腹桿通過鉸連接而成。該結構受力合理，計算簡單，制作方便。模型中應使弦桿受力均勻，材料充分利用。腹桿的布置應使內力分布合理，短桿受壓，長桿受拉，而且桿件和結點數量要少，總長度要短，盡量使荷載作用在結點上。拱結構中桿軸為曲線，且在豎向荷載作用下，以受壓為主，截面具有一定的剛度。對于抗壓性能好的材料，拱結構是一種較理想的結構形式。

初步設計提出了拱結構方案和剛架結構方案，加載試驗結果表明，拱結構模型抗豎向荷載性能較好，但不利于抵抗水平荷載，并且制作工藝復雜，模型組裝困難，桿件定位誤差較大，結構穩定性差等缺點。經小組討論后，決定采用剛架結構方案。由于荷重比和位移，是本次競賽衡量模型優劣的重要指標，因此，在選擇結構體系時，力求選用最簡單的結構，使用最少的材料制作出滿足強度，剛度和穩定性要求的屋蓋模型。整體結構，既要簡潔美觀，又要堅固實用，達到輕質高強的目的。整個屋蓋結構，自上而下由頂層的正方形平面和二層的正八邊形平面組成，并通過12根豎桿，將整個模型固定在承臺板上的4個支座處，模型主體結構如圖1所示。模型的總體高度為525mm，頂層和二層的垂直距離為130mm，二層距承臺板395mm。賽題要求有8個加載點，為了使荷載都能直接施加在結點區域，頂層正方形的4個角點均位于半徑為150mm的圓上，二層正八邊形的8個角點均位于半徑為260mm的圓上。該模型的4個支座，均位于半徑為460mm的圓上。以上結構布置完全滿足模型的尺寸界限要求。

圖1 剛架結構模型

2.2 構件截面選擇

構件截面形式，一般有箱形截面三角形截面圓形截面工字型截面和T形截面等。設計時應考慮其用途和受力特點來選擇[2]，如圖2所示。

圖2 構件截面形式

箱形截面構件的最大優點，是抗扭能力大,但耗竹材量較大，制作有一定難度，粘結時需將腹板壓在翼緣板上，構件放置位置要準確，也可在桿件內部增加橫肋以提高其強度。

三角形截面構件拼接難度較大，長度較小時可做受壓構件，長度較大時抗彎性能較差，因為三角形的穩定性，所以大部分情況下用于固定。

圓形截面構件涂膠要均勻，制作難度大，盡量采用0.20mm竹皮制作，否則構件容易產生裂紋。

工字型截面構件，是一種斷面力學性能更為優良的經濟型構件：其翼緣寬，側向剛度大[3]。抗彎能力強；翼緣兩表面相互平行，使得連接制作安裝簡便；與實心結構相比，工字截面結構，可增大6%的使用面積，且結構自重減輕20%～30%，減少結構設計內力； 工字桿件還可加工成T形桿。

3 模型制作工藝

3.1 桿件

該組模型所使用的桿件，主要為箱形桿T形桿和工字桿。在構件制作過程中，需要對桿件進行分類編號，并針對不同種類桿件制作的難易程度主次要等特點，合理安排每個人在一定時間段內的任務。考慮到手工誤差的影響，每種類型的桿件，要額外多制作1～2根。

該次模型制作的箱形桿，主要用于承重結構，考慮到手工影響和膠水是否涂抹均勻的誤差，所以采用“壓片式”設計，如圖3所示。這種設計思路，增加了竹片之間的接觸面積，涂膠時減少了縫隙存在的可能性。

采用T形桿和工字桿，主要是為了減輕模型的重量，其制作工藝較簡單。

圖3 壓片式箱形桿

3.2 模型拼裝

拼裝模型，是將“構件”裝配成“結構”的關鍵步驟。當荷載作用到模型上時，各種力匯總到結點，受力情況復雜，所以模型裝配要仔細。該組模型，采用“從上到下，先整體后局部”的思路，待模型的上半部分工作完成之后，使用鉛錘等工具輔助，完成其他部分的裝配。

在模型的每個面層拼裝過程中，為保證構件之間貼合緊密，在白卡紙上提前用鉛筆畫出模型的輪廓。拼裝時，使每個構件與其在白卡紙對應的輪廓線相契合，按順時針方向在結點處均勻地涂抹膠水。層與層之間組裝時，借助自行制作的支筒，以保證模型在組裝過程中不發生大幅度的偏移。模型組裝過程中，盡可能地使構件之間無縫連接，誤差過大的構件重新制作，結點之間的縫隙在誤差允許范圍內，根據具體情況進行填充處理，如圖4所示。

圖4 拼裝后模型上部結構

3.3 結點處理

結點處理中，主要用到了剛接榫接。剛接，即將各構件的連接面削平打磨后，直接利用膠水粘合。剛性連接的優點，是任何形狀的結構都可以用膠水連接，構造簡單，節省時間。榫接，即通過構件之間多與少高與低長與短之間的巧妙組合，構件之間的結點以特定結構相吻合，將兩構件組合成整體的一種連接方式。榫接有效地限制了構件之間向各個方向的扭動，減少了膠水的用量卻使結點更加牢固。在模型制作中，還常對結點進行一些加固處理，如加腋加T型貼片弧形貼片，用竹皮包裹等，如圖5所示。

圖5 榫接處理

4 理論驗算

方案設計完成后，經過abaqus軟件電算，分析得到模型的應力圖，通過分析加載過程中模型的最不利位置的變化，并結合賽題要求將結構進行優化。

從MISES應力云圖可以看出：加載點處出現應力集中現象；二級橫向加載點處應力分布復雜，模型設計時，對此結點進行加固；支座處應力較大，加強支座的連接與固定，如圖6所示。

圖6 三級加載完成后的應力云圖

5 結語

結構選型至關重要，一個完整模型的設計需經過結構輪廓的選定和細部構造處理兩大步驟。構件的細部處理，可以確保結構本身的優勢得以發揮，在保證加載成功的情況下，使模型作用的構件自重最小。比賽競爭不僅是專業知識和模型質量，更是對個人毅力和勇氣的考驗。后期模型改進過程中，為了使構件達到輕質高強的效果，需要制作許多模型進行試驗；需要在一次次失敗中發現模型的缺陷，在每次失敗后仍能不懈地堅持下去，需要團隊每個成員強大的毅力與協作精神。學生還需要自學AutoCAD繪圖軟件，ANSYSABQUS等有限元分析軟件，Word文字處理軟件，Excel表格軟件等。這些軟件需要學生慢慢摸索，在發現問題解決問題中積累經驗。在這個過程中，學生研究問題解決問題的能力會不斷提高。此外，比賽還需要掌握許多跨專業的知識，這些都需要學生自己查閱資料，自主學習。只有綜合運用這些知識和技能，才能為做出一個好的模型提供保障，才能更高效率地解決問題。