高潮 楊磊 喬永梅 蔡軍 王誠超
摘要:“第六屆全國大學生結構設計競賽”由國家教育部、住房和城鄉(xiāng)建設部、中國土木工程學會聯(lián)合主辦,重慶大學承辦,旨在培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識與合作精神,提高大學生的創(chuàng)新設計能力和動手實踐能力。文章以參賽作品《承重結構的模型設計、制作與跨中靜荷載作用的加載試驗》為例,介紹了結構設計的流程及設計過程中需注意的事項。
關鍵詞:承重結構;結構模型;加載試驗;強柱弱梁;強剪弱彎;結構剛度
中圖分類號:TU317 文獻標識碼:A 文章編號:1009-2374(2013)10-0027-02
1 概述
大學生結構設計競賽是國家教育部批準的9個大學生競賽資助項目之一,大賽旨在培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識與合作精神,提高大學生的創(chuàng)新設計能力和動手實踐能力?!暗诹鶎萌珖髮W生結構設計競賽”由國家教育部、住房和城鄉(xiāng)建設部、中國土木工程學會聯(lián)合主辦,重慶大學承辦。本次結構設計競賽以吊腳樓建筑抵抗泥石流、滑坡等地質災害為題目,以竹皮為設計材料。首先我們要了解竹皮這種材料的力學性能,做到熟練地使用竹皮制作各種桿件。其次按照比賽題目要求,設計合理的結構形式。最后通過實驗分析完善結構形式。
2 大賽內容及模型設計制作流程
2.1 大賽內容及選型
大賽的內容為利用給定材料,在一定時間內設計并制作出一個結構,通過多次重復承載能力試驗,一般選出荷重比最大者,決定參賽作品,再綜合考慮各項因素決出獲獎等級。材料一般采用白卡紙或者是木材,至于結構,一般選擇高層建筑模型、簡支橋梁模型、大跨屋架模型等。此結構以工程實際為背景,主要受沖擊荷載影響。比賽中采用的三級沖擊荷載模擬泥石流的沖擊。如何使結構在兼顧美觀、經濟的同時滿足各級沖擊的要求,成為我們著重考慮的問題。在結構選型中,我們對各種結構形式進行了比較詳盡的理論分析和實驗比較,著重分析結構自重和荷載分布,以達到較大的效率比。
2.2 模型設計制作前期準備
作為一項極具啟發(fā)性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的科技競賽,大學生結構設計競賽既考驗參賽者的結構設計知識,又鍛煉大家的動手實踐能力,并在競賽過程中,考驗參賽大學生的綜合素質,一個優(yōu)秀的競賽作品,必然是參賽者準確把握命題要求、正確運用理論知識并且精確進行模型制作的結晶,因此,在模型設計制作前應考慮設計過程中所應用到的理論知識并加以回顧。
2.3 模型制作過程
一個優(yōu)秀的結構模型,如果沒有精細的制作工藝,不管理論設計再怎么完善也將無法付諸實踐。這也是大學生結構設計競賽區(qū)別于一般競賽的地方。模型制作水平在很大程度上依賴于參賽者的手工技巧。
2.3.1 設計構思。
(1)根據(jù)模型的制作材料,選擇適當?shù)慕Y構形式,提高結構剛度和整體性,符合“強柱弱梁”、“強剪弱彎”的要求。
(2)針對不同的結構形式,在保證安全可靠的前提下,盡量優(yōu)化模型、減輕質量,使荷質比達到最大。
(3)針對不同的荷載分布,通過大量加載實驗,觀測模型的加速度和位移。在滿足安全的前提下,盡可能提高效率比。
(4)合理運用竹皮材料的特性,充分發(fā)揮其優(yōu)越的力學性能。
(5)所有桿件的計算長度及控制長細比均按壓桿考慮,以保證安全。
(6)精心設計和制作構件及節(jié)點的處理,發(fā)現(xiàn)問題及時解決,從實踐中不斷總結,敢于創(chuàng)新,打破思維定式的約束。
2.3.2 模型制作。
俗話說:“成也蕭何,敗也蕭何。”一個優(yōu)秀的結構模型,如果沒有精細的制作工藝,不管理論設計再怎么完善也無法將之付諸實踐。這也是大學生結構設計競賽區(qū)別于一般競賽的地方。
第一,桿件制作。
比賽提供的竹皮有0.2mm、0.35mm、0.55mm三種不同的厚度。根據(jù)力學分析與多次試驗,將主要受力構件采用0.55mm厚度的竹皮,對于維持結構穩(wěn)定的一些普通構件采用0.35mm厚度的竹皮,對于一些拉條以及節(jié)點的加固可以采用0.2mm厚度的竹皮。以下是模型的主要桿件的制作方法:
(1)方桿(以10mm×10mm×1m為例):首先將0.55mm厚的竹皮水平的鋪放在桌面上,用刻度尺沿竹皮紋路量出1m長。用剪刀剪掉多余的竹皮,在1m長的竹皮兩端各量取10mm,用鉛筆連成直線,一人扶住直尺,一人用裁紙刀沿直線方向裁剪,共裁剪四條。由于竹皮質地粗糙,將裁剪完的竹條用砂紙打磨,打去竹皮的毛邊,這樣便于502膠的粘合。將打磨好的竹皮條平放在桌面上,四片竹皮依次粘合形成斷面為正方形的長方體。
(2)變截面桿:變截面桿與方桿的不同主要在于竹片的尺寸,計算好每片竹片的尺寸,裁剪打磨后依次粘合。變截面桿件相比方桿有更好的受力特點,同時會減少模型自身的重量。我們模型中四根承載豎向荷載的柱子均為變截面桿件。
(3)三角形桿:三角形桿與方桿制作方法相似,但由于竹皮有一定厚度,每片粘結的竹皮又不是正交,所以在粘結過程中應當多放一些膠水,以防粘結不牢固。
(4)工字形桿:剪裁10mm寬、1m長的竹皮三段,按照“工”字形拼接而成。試驗發(fā)現(xiàn)在腹板加大厚度能更好地提高工字形桿的強度。
第二,桿件拼接。
在桌面簡要畫出框架的俯視圖。將橫桿與豎桿按照尺寸放在桌面上,由一人固定住桿件再由一人用502膠水將其擺好的桿件粘結上。用0.35mm的竹皮折成L形加固在桿件的粘結處。待框架拼接完成后,有兩人扶住框架,另一人再用桿件將一榀框架連接成二榀框架。完成后,再連接斜桿,最后固定在底板上。
第三,制作技巧。
(1)經試驗發(fā)現(xiàn),制作好的方桿經常在受力后會在粘結處開裂,為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生,可以在方桿內部一定間隔內加上一個小肋。
(2)由于豎桿可以看成細長桿,抗彎能力比較差,可以通過在方桿內部粘結一工字型桿,形成組合桿件,會很大程度提高方桿的抗彎能力。
(3)節(jié)點是模型加載能力的關鍵部位。節(jié)點加固尤為重要。
(4)由于比賽現(xiàn)場不允許自己攜帶任何工具,在制作桿件時,建議用竹皮制作一個簡易的操作臺。這樣既能確保桿件的精度,又能提高桿件的制作效率。
2.4 比賽過程
比賽過程主要包括模型現(xiàn)場制作和模型加載評比兩個過程。成敗與否,全在這幾天之中。
2.4.1 模型現(xiàn)場制作。參加比賽的模型要求現(xiàn)場制作,并在固定的時間內完成。這就需要組員對自己模型足夠的熟練,且隊員之間要進行合理的分工,在規(guī)定的時間內有效地制作出滿意的模型。制作的工具材料均由主辦方提供,因此要有很好的臨場應變能力,發(fā)現(xiàn)工具材料有問題,一定及時向主辦方提出。
2.4.2 模型加載評比。比賽加載按照抽簽的順序進行。頂層配重要求在比賽加載前確定,模型加載配重一般由自己確定。此次競賽一共有86支參賽隊伍,84所參賽院校,是全國結構設計競賽史上規(guī)模最大的一次。我們抽得了第83組簽。這是一件好事,我們可以觀察前面組的加載情況以及在加載過程中可能會出現(xiàn)的問題,避免自己加載發(fā)生類似的錯誤。
3 結語
此次比賽使我們收獲頗多,總結如下:
(1)由于主辦方提供的竹皮材料與在學校制作的材料有所差異,制作完成的模型其自重比以往輕了一半,導致對模型的加載失去信心,成為整個比賽過程中的隱患。造成這樣的結果主要在于在材料下發(fā)后,沒有及時地發(fā)現(xiàn)問題。因此對于提高臨場應變能力,做到處事不驚、有條不紊,也是我們在這次比賽中學到的。
(2)本次比賽的采分點在于小球撞擊一層樓面板時產生的加速度。而如何提高小球的加速度是我們沒有辦到的,雖然我們承受了三次沖擊荷載,但并沒有提高小球的加速度,這是我們沒有拿到更好成績的主要原因。失敗是成功的墊腳石,總結失敗的教訓,在以后的比賽或者生活中,從事物的本質入手,會有事倍功半的效果。
(3)參加全國大賽是件很有意義的事情,我們看到了別的學校在這個方面的特色,學到了很多思路和制作的技巧。特別有感觸的就是:只有你想不到的,沒有做不到的。我們的制作技術不是問題,但是就是思路上的不一樣造成了最終成績上的差異。
參考文獻
[1] 陸榮慶,唐興榮.結構模型設計制作大賽加載測試裝置介紹及應用[J].蘇州科技學院學報,2006,19(3).
(責任編輯:黃銀芳)