基于大跨度竹結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)分析軟件探討

黃振宇，楊佳幸，段 煉

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400030)

1 概述

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是教育部確定的全國(guó)九大大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一。隨著土木工程專業(yè)的本科生教學(xué)水平的不斷提高，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)要求也越來(lái)越高，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的模型制作過(guò)程的注意事項(xiàng)和常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析和介紹，有利于參賽學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)揮創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)并制作出優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型[1]。

第十四屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽就是基于大跨度空間結(jié)構(gòu)的竹材結(jié)構(gòu)制作而命制的。相比于往屆賽題，本屆賽題增加了待定數(shù)據(jù)的創(chuàng)新模式，因此需要參賽學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)依據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整設(shè)計(jì)，更加挑戰(zhàn)學(xué)生的應(yīng)變能力、創(chuàng)新能力。因此熟練掌握結(jié)構(gòu)分析軟件，快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型就顯得愈加重要。

2 賽題簡(jiǎn)介

賽題要求在比賽現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)制作一座橋梁，承受分散作用的豎向集中靜荷載以及橋面移動(dòng)荷載。在確保模型安全的前提下，還需要對(duì)模型的變形進(jìn)行控制。模型軸測(cè)示意圖見(jiàn)圖1。

其中橋梁的凈空高度、③軸支座處位置和支座板標(biāo)高為待定參數(shù)，即參賽選手在賽前抽取待定參數(shù)。本賽題有二級(jí)加載方式：第一級(jí)：八個(gè)加載點(diǎn)分別懸掛各自的待定荷載。第二級(jí)：保持上一級(jí)靜載作用，移動(dòng)荷載為50 N的鉛球(直徑為111 mm)，鉛球沿橋岸弧形滑軌加速移動(dòng)后上橋(落差100 mm)，滾動(dòng)過(guò)橋。當(dāng)結(jié)構(gòu)在荷載作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)，認(rèn)定加載失敗。

本屆賽題較新穎，并且采用待定參數(shù)的方式考驗(yàn)選手的創(chuàng)新、應(yīng)變能力，競(jìng)賽所用竹材規(guī)格、用量及力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 竹材規(guī)格、用量及力學(xué)指標(biāo)表

3 模型選型與軟件計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)選型

不同的結(jié)構(gòu)適用于不同的荷載，因此充分了解荷載后才能進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)選型。例如：1)拱結(jié)構(gòu)是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線形構(gòu)件，主要承受均布荷載的作用，本次大賽為集中荷載，并且對(duì)于結(jié)構(gòu)變形撓度要求嚴(yán)格，因此并不適用拱結(jié)構(gòu)[2]。2)桁架結(jié)構(gòu)：桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，在大跨度結(jié)構(gòu)中可節(jié)省材料以減小自重，整體穩(wěn)定性也很高。3)張弦梁結(jié)構(gòu):張弦梁結(jié)構(gòu)由拱、撐桿和拉索雜交而成，三者形成自平衡體系。張弦梁結(jié)構(gòu)通過(guò)撐桿減小拱彎矩和撓度的同時(shí)，由弦抵消拱端推力，充分發(fā)揮拱形結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢(shì)和高強(qiáng)索的抗拉特性，從而實(shí)現(xiàn)大跨結(jié)構(gòu)[3]。從制作難度上來(lái)看，張弦梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且使用竹材制作難度較大；桁架結(jié)構(gòu)雖較為精密，但結(jié)構(gòu)自重較小，受載后撓度較小，使用竹材較易制作[4]。

基于以上分析，本團(tuán)隊(duì)決定采用桁架結(jié)構(gòu)對(duì)賽題進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。

賽題中所施加荷載較大，若使用竹皮制作桿件將會(huì)出現(xiàn)桿件強(qiáng)度不足使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象，因此將采用競(jìng)賽提供的竹桿件制作桿件，使用竹皮進(jìn)行局部加強(qiáng)。選擇如圖2所示的桿件截面。

通過(guò)理論分析與初步的結(jié)構(gòu)布置，模型中的桿件由于制造誤差，不存在理論中的完全力學(xué)分工，將會(huì)受到軸力、彎矩和扭矩的作用，其中軸力、彎矩起控制作用。在相同用料情況下，薄壁截面桿件的抗彎性能由強(qiáng)至弱依次是箱形、圓形、三角形，自由扭轉(zhuǎn)性能由強(qiáng)至弱依次是圓形、箱形、三角形[5]。從受力情況、制作難度與材料分配方面考慮，使用箱形、工字形截面作為結(jié)構(gòu)主體骨架，使用矩形截面(竹桿件3 mm×3 mm)制作桁架部分。

為使試驗(yàn)結(jié)果更具有普適性，將賽題結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖3所示的梁式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化支承，兩端簡(jiǎn)支。簡(jiǎn)化施荷方式，具體施荷方式為：

第一級(jí)：1,2兩點(diǎn)共四處各加4.2 kg；第二級(jí)：1,2兩點(diǎn)共四處各加4.2 kg；第三級(jí)：3點(diǎn)共兩處各加2 kg；第四級(jí)：3點(diǎn)共兩處各加3 kg；第五級(jí)：3點(diǎn)共兩處各加2 kg。

3.2 軟件計(jì)算

使用Dlubal RFEM，SAP2000，Midas Gen三個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行建模、計(jì)算，所得跨中撓度結(jié)果如表2所示。

表2 軟件計(jì)算結(jié)果 mm

4 結(jié)構(gòu)制作與加載

4.1 結(jié)構(gòu)制作細(xì)節(jié)

依據(jù)結(jié)構(gòu)所需施加荷載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)，即分別使用競(jìng)賽規(guī)定使用(如表1所示)的竹皮、竹桿件制作結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行簡(jiǎn)支加載。結(jié)果顯示，竹皮制作各類截面形式的桿件強(qiáng)度均未達(dá)到目的強(qiáng)度，故考慮使用竹桿件制作結(jié)構(gòu)桿件，使用竹皮對(duì)桿件的薄弱部分進(jìn)行加強(qiáng)。

依據(jù)建模軟件上所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)制作，結(jié)構(gòu)桿件由竹桿件通過(guò)膠水連接而成。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的桿件較多，如果用竹皮包裹節(jié)點(diǎn)，不僅粘連效果較差，而且會(huì)極大增加結(jié)構(gòu)重量，操作也過(guò)于復(fù)雜。最終采用在節(jié)點(diǎn)處撒竹粉(通過(guò)銼刀磨制而成)滴膠的方式處理節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次加載試驗(yàn)證明了該方法的可靠性，結(jié)構(gòu)整體性更佳。

最終結(jié)構(gòu)成果圖如圖4所示。

4.2 加載試驗(yàn)

將結(jié)構(gòu)兩端置于平臺(tái)上，模擬簡(jiǎn)支支承情況。標(biāo)記出1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)加載點(diǎn)位置，在結(jié)構(gòu)桁架腹桿上部綁扎剛性繩(使用變形小的尼龍繩模擬)。荷載施加示意圖見(jiàn)圖5。

按照設(shè)計(jì)荷載添加砝碼，在每一級(jí)荷載施加完畢后，靜置10 s，使用激光位移計(jì)測(cè)量跨中撓度。結(jié)果如表3所示。

表3 施荷跨中撓度值 mm

5 結(jié)語(yǔ)

本文以大跨度空間桁架竹質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為實(shí)例，通過(guò)Dlubal RFEM，SAP2000，Midas Gen軟件和所學(xué)的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行了模擬驗(yàn)算分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果可知，Midas Gen對(duì)于大跨度竹結(jié)構(gòu)的計(jì)算最有參考價(jià)值，Dlubal RFEM其次，SAP2000計(jì)算結(jié)果參考價(jià)值相比較低。由于上述三個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件都為針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的有限元分析而設(shè)計(jì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)競(jìng)賽的縮尺竹結(jié)構(gòu)分析必然存在誤差，Midas Gen軟件操作和原理與其公司旗下另一款產(chǎn)品Midas Civil相似，Midas Civil為專業(yè)的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件，因此針對(duì)本次賽題的大跨結(jié)構(gòu)結(jié)果更加準(zhǔn)確。了解結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)小尺寸竹結(jié)構(gòu)的計(jì)算精度，有利于結(jié)構(gòu)競(jìng)賽參賽者對(duì)于自己設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)承載能力有更加清晰的認(rèn)知，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高競(jìng)賽成績(jī)。