包淑珉 史佳遙 賴韜 鄧洪永 張昊

[摘 要] 全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實(shí)踐能力。第十三屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽以山地輸電塔模型作為研究對象，首次將材料利用率和制作時間效率計(jì)入評分標(biāo)準(zhǔn)，考慮模型在三級荷載作用下同時承受彎矩、剪力與扭矩的組合作用，并且需要考慮多種荷載工況的影響，難度大大提高。從競賽優(yōu)秀獲獎作品的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和受力三個方面入手，深入分析得出相關(guān)結(jié)論，為以后的參賽選手提供思路與經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽;模型設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)選型;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0255-03? ? [收稿日期] 2020-03-13

一、引言

創(chuàng)新是民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭源泉。全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是土木工程學(xué)科創(chuàng)新性和實(shí)踐性最高水平學(xué)科競賽，被譽(yù)為土木皇冠上最“璀璨的明珠”。自2005年浙江大學(xué)成功舉辦第一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽以來，至今已成功舉辦十三屆。該賽事創(chuàng)新的主旨十分契合大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的號召，為廣大青年學(xué)生搭建了一個展現(xiàn)其創(chuàng)新意識、合作精神和工程實(shí)踐能力的平臺。本屆賽題要求參賽隊(duì)員針對靜載以及荷載隨機(jī)選位等多種工況下的山地輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型制作及試驗(yàn)，并現(xiàn)場抽簽決定三級加載工況，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ统惺軓澕襞そM合作用下的受力性能。

二、賽題簡述

本屆大賽以“山地輸電塔模型設(shè)計(jì)與制作”為主題，聚焦西部大開發(fā)和“一帶一路”倡議，關(guān)注各地區(qū)能源分布不均衡，服務(wù)區(qū)域發(fā)展需求，具有鮮明的時代特點(diǎn)與國情特色。賽題首次將材料利用率和制作時間計(jì)入評分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)，同時，加載工況現(xiàn)場抽簽決定，所以本屆賽題更加凸顯對實(shí)際問題的綜合性考查。

競賽賽題要求參賽隊(duì)員以竹皮和竹條為原材料，在規(guī)定的16小時內(nèi)設(shè)計(jì)并制作一個山地輸電塔模型，模型須設(shè)置2個“低掛點(diǎn)”、1個“高掛點(diǎn)”（兼水平加載點(diǎn)），通過砝碼進(jìn)行加載，考驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趶澕襞そM合作用下的受力性能。加載工況隨機(jī)抽取，且分三級加載，最大加載質(zhì)量為46kg。

三、結(jié)構(gòu)選型

1.桅桿型結(jié)構(gòu)。桅桿型結(jié)構(gòu)模型以三角形為基本構(gòu)型，塔身為兩端收縮成錐體的空間梭形格構(gòu)柱，并采用拉桿將塔身和塔臂分別與底板相連，以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性（如圖1所示）。將支座設(shè)為鉸接，將荷載帶來的彎矩與扭矩轉(zhuǎn)化為桿件內(nèi)部的拉力與壓力，使結(jié)構(gòu)受力合理并發(fā)揮每根拉桿的作用。整個結(jié)構(gòu)能夠使荷載以最短的傳力路徑傳到底板，在保證承載力的同時能夠極大地減輕自重，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目標(biāo)。浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等參賽隊(duì)均采用該種結(jié)構(gòu)形式，并獲得了一等獎。

2.Y字型結(jié)構(gòu)。Y字型結(jié)構(gòu)由方棱臺塔身與懸臂桁架結(jié)構(gòu)組成。在棱臺側(cè)面設(shè)置多層斜向拉條，提高結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性（如圖2所示）。上部懸臂與拉條組合作用以抵抗荷載帶來的扭矩，通過側(cè)棱柱、框架梁和拉條組成的大格構(gòu)柱來抵抗荷載所帶來的彎矩、剪力與扭矩的組合作用。本屆大賽中，南京工業(yè)大學(xué)以及多數(shù)參賽隊(duì)采用該結(jié)構(gòu)形式并且取得良好成績，值得一提的是該種結(jié)構(gòu)形式也是最接近實(shí)際山地輸電塔結(jié)構(gòu)形式。

3.山字型結(jié)構(gòu)。山字型結(jié)構(gòu)由中間四邊錐形主塔與兩側(cè)三角形空間塔臂組成，主塔與塔臂在頂部通過拉條相連，在中下部通過多組X形框架連接，提高模型的整體穩(wěn)定性（如圖3所示）。模型可以根據(jù)抽到的荷載工況有針對性地改變整個模型角度，以最大程度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。由于底部采用固結(jié)形式，所以對底部的制作要求較高。大連理工大學(xué)、四川大學(xué)等參賽隊(duì)采用該結(jié)構(gòu)形式，但表現(xiàn)不佳。

四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)方法。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到“輕質(zhì)高強(qiáng)”的目的。競賽中模型采用竹材制作，110支參賽隊(duì)的質(zhì)量分布從177.9g到896.7g，跨越范圍大，平均質(zhì)量為337g，標(biāo)準(zhǔn)偏差為111g。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，質(zhì)量主要集中在280g附近。根據(jù)賽題的具體要求，考慮到結(jié)構(gòu)滿載時的荷載質(zhì)量為46kg，即結(jié)構(gòu)模型所需承擔(dān)的荷載為自重的164倍（按模型質(zhì)量為280g計(jì)），因此合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)顯得極其重要。下面以南京工業(yè)大學(xué)Y字型結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行具體優(yōu)化。

1.側(cè)棱柱優(yōu)化。側(cè)棱柱受到彎剪扭復(fù)合內(nèi)力作用，因正方形截面在兩個正交方向的慣性矩都相等，且具有良好的抗扭性能，故用4根1×6mm竹條桿貼合成邊長為7mm的箱形截面，能夠適應(yīng)各種工況下的加載情況。在實(shí)際試驗(yàn)中，靠近三級荷載受壓嚴(yán)重的側(cè)棱柱出現(xiàn)了正弦波狀的變形，如繼續(xù)加大荷載，則肯定會發(fā)生構(gòu)件的失穩(wěn)破壞，已達(dá)到承載能力極限，為此我們提出了兩種優(yōu)化方案。設(shè)竹材彈性模量為E，原正方形截面邊長為a，框架柱計(jì)算長度為l，則截面慣性矩為I=a/12。歐拉臨界應(yīng)力為N=Eπa/12l。

經(jīng)計(jì)算，兩種方案所用耗材相差不大，但方案二的臨界應(yīng)力約為方案一的2倍，且上述計(jì)算只考慮了軸心受壓下的情況，增大截面慣性矩可按搞受彎和受扭均性能，故采用方案二優(yōu)化（如圖4所示）。

2.柱腳優(yōu)化。模型與底板是通過自攻螺絲連接，需對柱腳進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。通過2根1×6mm竹條增加柱腳和側(cè)棱柱的粘接面積，其次打孔后通過2×2mm竹條連接。內(nèi)置卡條和壓片，但通過測試發(fā)現(xiàn)在滿載的情況下容易發(fā)生柱腳撕裂，由于打孔削弱了截面強(qiáng)度，撕裂多為從打孔處開始，故我們決定根據(jù)受力特點(diǎn)區(qū)別設(shè)計(jì)。第一類是靠近三級加載處的兩個主受壓桿柱腳，柱腳將口字型的整體（3×3mm竹條貼合而成）嵌入主受壓桿，同時兩邊貼1×6mm竹條增加整體連接程度，外部通過鉆孔用來放置自攻螺絲。第二類是遠(yuǎn)離三級加載處承受主要拉力的受拉柱腳，用3×3mm竹條貼合成直角，用兩個直角固定一根受拉桿，兩兩之間用

1×6mm竹條連接，外部通過鉆孔用來放置自攻螺絲。（圖5）

五、結(jié)構(gòu)受力分析

結(jié)構(gòu)受力分析的目的是為了保證結(jié)構(gòu)在外荷載作用下具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。以南京工業(yè)大學(xué)參賽作品為例，通過有限元分析軟件Midas gen 2018定義竹材特性、各桿件截面尺寸、邊界條件并按賽題要求施加46kg荷載。經(jīng)計(jì)算模型所受最大軸力為338N，最大彎矩為377N·mm，最大位移為1.227mm，對導(dǎo)線高度影響極小，且通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，位移在2mm之內(nèi)時基本為彈性變形，卸載后結(jié)構(gòu)可基本恢復(fù)原狀。桿件最大壓應(yīng)力為20.7MPa小于竹材抗壓強(qiáng)度30 MPa，最大拉應(yīng)力為31MPa小于竹材抗拉強(qiáng)度60MPa，均在竹材允許應(yīng)力范圍內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)模型滿足要求。（圖6）

六、參賽經(jīng)驗(yàn)

1.結(jié)構(gòu)選型決定了競賽成績的高低，參賽隊(duì)選擇的結(jié)構(gòu)形式既要符合傳統(tǒng)力學(xué)原理，又不拘泥于傳統(tǒng)，做到設(shè)計(jì)構(gòu)思獨(dú)特，結(jié)構(gòu)傳力路徑明確合理。

2.根據(jù)竹材力學(xué)特性，竹材順紋抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的2倍，為實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的，應(yīng)充分利用竹材抗拉強(qiáng)度特性。

3.一般膠水粘接節(jié)點(diǎn)均視為剛接，但如果能制作特定的卡槽，使構(gòu)件能夠轉(zhuǎn)動，則能實(shí)現(xiàn)鉸接。

七、結(jié)語

合理的結(jié)構(gòu)選型對競賽成績具有決定性作用。參賽選手需要做到力學(xué)概念清晰，傳遞路徑明確，受力分析準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理。通過參加全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，極大地提高了參賽選手的創(chuàng)新意識、實(shí)踐能力以及軟件應(yīng)用技能，能加深對材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論知識的理解，做到理論聯(lián)系實(shí)際。

參考文獻(xiàn)

[1]付果，等.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].高等建筑教育，2017，26（06）：105-110.

[2]沈璐，高潮，王志云.第七屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].高等建筑教育，2014，23（04）：159-163.

[3]馬肖彤，等.第十一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（45）：216-219.

[4]劉健，陳英杰，朱海燕.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽對土木工程專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].中國管理信息化，2017，20（23）：216-217.

[5]閆鉑，李英俊.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].山西建筑，2019，45（03）：241-242.

[6]邢犇犇，徐金花，白泉.大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與制作——以2018年遼寧省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為例[J].福建建筑，2018（12）：113-115.