大學生結構設計大賽竹制山地輸電塔模型優化

馬文超，劉 健，鄭國旭，余明學，谷鎮超，夏力庫努爾·肉孜買買提

（新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052）

1 設計說明

1.1 方案構思

本屆大學生結構設計競賽賽題要求結構滿足尺寸、高度規定的同時，還能夠良好適應六種荷載工況，其中，一、二級加載對應實際情況不同工況下輸電線布置方式對輸電塔的影響，其中一級加載主要模擬的是對結構構件抗壓和抗拉能力的檢驗，二級加載對結構的主要影響為扭轉作用，這就要求輸電塔具有較高的抗壓、抗拉、抗扭轉能力，同時還要具有良好的穩定性，避免主要構件被破壞和模型超出允許的范圍，三級加載對應著水平荷載（如風荷載）。

1.2 結構方案

結構的設計思路包括以下三個方面：

（1）為減輕該結構整體自重，采用單個構件加竹皮組合的方法［1］。

（2）把竹片做成正方形筒，內部用竹皮做加勁肋，以提高桿件強度［2］。如圖1。

（3）為保證該結構的節點不被破壞，先用竹竿邊角料進行卡位，以防止桿件錯動，再用竹皮進行纏繞加固。

1.3 結構特色

（1）結構選用格構立柱和桁架懸挑，其受力合理，形式美觀。

（2）節點的特殊加固。根據Midas 軟件分析結果，對不同受力情況的節點采用不同的加固方式，契合“強柱弱梁”“強剪弱彎”“強節點弱構件”的設計理念。

（3）桿件的局部加強。根據Midas 軟件分析，格構立柱、桁架懸挑和塔尖等不同部位受力情況不同。因此，在盡可能節省材料的前提下對模型局部做加強處理，保證了結構的整體穩定性和可靠性，實現“輕質高強”。

（4）構造簡潔。采用立柱作為主要承力體系，采用連桿、拉條作為輔助穩定體系。

（5）桿件截面形式多樣。本模型共有9 種截面類型，因為Midas 軟件中不易區分在復雜應力下竹皮的受力情況，也因為竹皮桿的抗拉抗壓能力不清晰，因此換成等效截面的竹條在Midas 軟件中進行模擬。

2 結構模型大樣圖

綜合以上各種因素確定竹制山地輸電塔模型設計大樣圖，如圖2 所示。

3 結構的分析及計算

3.1 結構的優化

3.1.1 內力計算

利用Midas 有限元軟件，在軟件中建立模型，模擬竹結構模型加載時的狀況，根據軟件的分析結果，對不同部位的不同桿件進行優化，對不同的節點采取不同的加固形式。

結構的受力分析：開始一級加載時，結構承擔的荷載不大，結構整體穩定。二級加載時，主體結構發生一定量的扭轉變形。三級加載時，是結構受力的最不利時期，根據比賽要求，結構大約需要持荷10s 以上，持荷的時間較短。為了簡化分析，僅考慮最不利受力狀態，用Midas 軟件進行模擬計算，荷載作用于節點處，結構按最高點視為對稱結構，計算得出結構中各個桿件在荷載作用下的內力，如圖3 所示。根據計算結果，對內力較大的壓桿適當加大截面（因為持荷時間較短，為減輕自重截面不宜增大過多），例如，每根柱腿使用2 根930mm×6mm×1mm 和2根930mm×3mm×3mm 的竹竿構成一個工字形截面，這樣柱腿的強度符合要求，并且加載時不會產生較大的變形。下部剪刀撐的內力與變形較大，針對這種情況我們采取了增大截面面積的方式對下部剪刀撐進行改進，對于內力較小的桿件如上部剪刀撐，采用減小截面尺寸的方式，如圖4 所示。

圖3 結構內力

圖4 支座結構位移

3.1.2 位移計算

根據軟件的分析結果，得到支座結構位移圖。結構在豎向荷載和水平荷載的作用下，雖然發生了側向彎曲，但是整體性較好，位移相對較小，這跟實際結構有出入。高掛點與低掛點用竹皮相連，相互作用，相互影響，砝碼作為豎向荷載和側向荷載加載時并不是均勻加載在結構上，可能會由于局部變形和高差使應力變形在部分位置過分集中。所以實際結構受力情況更不利，因此在結構兩側斜拉竹皮承擔縱向力，減小縱向變形。

3.2 節點構造

根據Midas 軟件分析結果，對不同的節點采用了不同的連接加固形式。

3.2.1 下部四棱臺結構與懸挑結構的連接［3］

利用打孔器在竹條上打孔，把竹條從孔中穿過，用502 膠水黏結，使之黏結得更牢固不易發生位移，并且采用竹粉進行填充，提升節點的整體性。如圖5、圖6、圖7 所示。

3.2.2 多節點之間的連接

桿件末端提前切割角度，這樣可以增大桿件間的接觸面積，使節點更加牢固可靠，利用502 膠水進行黏結，再利用竹條廢料進行卡位，防止節點的桿件產生位移，采用竹粉填充空隙加502 膠水黏結的方式進行節點加固，最后用竹皮廢料進行纏繞加固并用502 膠水進行黏結。如圖8、圖9、圖10 所示。

3.2.3 柱腳節點之間的連接

底座通過螺絲釘與承臺板連接，四周縫隙用竹粉填充，澆注502 膠水與底片連接固結成剛節點，在保證穩定性的同時有效防止柱腳向外側滑移，如圖11 所示。

4 結構分析總結

理想模型和實際結構是存在差距的，需要根據力學的基本原理對結構模型做出必要的合理簡化和假設，使分析的結果滿足要求，分析的效率較高。另外，桁架結構在六種荷載工況下的強度、剛度、穩定性都需要滿足要求，因而需要對結構的內力、變形的穩定以及局部穩定進行詳細分析，從最初的設計說明到方案設計再到結構的內力分析，最終大量實驗證明了結構的強度，剛度和穩定性三者缺一不可，這是對一個符合要求的模型的最基本的要求。在設計時首先要進行合理的大膽想象，然后通過大量的實驗及理論分析模擬選擇合理的模型方案。根據理論及試驗分析，我們對結構局部節點進行了加固處理，利用了竹粉和膠水的共同作用使各個構件形成一個整體，提高結構的整體性能以保證其更好地發揮作用。在模型制作的過程中，對柱子的截面類型進行不斷地摸索，正所謂實踐出真知，做工程技術工作就應當有敢想肯做的精神。