結構模型設計制作與分析

王晨飛

摘要：大學生結構設計大賽可以提高大學生的創新能力和工程實踐能力，增強大學生團隊合作能力。本文以中南地區第四屆大學生結構設計的賽題“剛性橋墩單跨橋梁結構”為例。從賽題簡介、結構選型與優化、結構模型數值模擬等過程進行簡述。

關鍵詞：結構模型；設計制作；結構優化

創新實踐能力是高素質人才的重要標志，大學生創新實踐能力的培養已成為高等學校教育與教學改革的重點和核心[1-2]。大學生結構設計競賽作為大學生創新訓練的重要形式，在培養學生創新設計能力、綜合科技能力和工程實踐能力等方面發揮著重要作用[3]。為加強中南地區各高校間的交流與合作，2014年在華南農業大學大學舉行“中辰杯”中南地區第四屆大學生結構設計競賽。

1. 賽題簡介

賽題背景為水平和豎向荷載作用下的剛性橋墩單跨橋梁結構，橋梁模型應包括橋梁、橋面及橋墩支座等橋梁必要部分，橋面不要求滿鋪。要求橋面寬度在150mm-200mm范圍內，橋面長度不小于橋墩的凈跨度。橋面在跨度中央（加載點處）的結構寬度應不大于200mm，結構總高度不超過600mm。橋底以下應保證有指定的通航空間。橋梁凈跨度（指長軸兩橋墩內側之間的最小距離）不小于800mm，中部主航道500mm范圍內未加載前通航凈空不小于150mm，要求該范圍內不得有任何結構或構件阻礙船舶通航，模型結構如圖1所示。

橋梁模型加載模擬兩車道車輛荷載不利布置、水平剎車力和橫向風力組合作用的工況，結構在滿載時同時受到50kg的豎向荷載、沿橋面長度方向8kg的水平荷載以及垂直與橋面長度方向3kg的水平荷載，在三向力的作用下，模型結構應具有足夠的整體穩定性，但同時也要防止結構中桿件發生強度破壞或失穩破壞。

2. 結構選型與優化

考慮模型要承受豎向及兩個方向的水平荷載，初步方案利用竹皮優越的抗拉性能，將竹皮制作成拉條，有效的將橋面桿件承受的部分豎向荷載通過拉條傳遞給立柱，兩端的拉條則有效分擔了結構受到的沿橋長方向的水平荷載，斜撐也分擔了部分豎向荷載，但在滿載的情況下，相應的結構總重量過大。最終方案（圖2所示）從解決橋面縱向桿件發生屈曲破壞入手，嘗試830mm的縱向水平桿分成三段，該結構中立柱高度被大大降低了，且經過多次試驗后發現，優化后結構受力合理，整體穩定性較好，滿載時結構的總質量也得到了有效的降低。

3. 結構受力模擬

在假定基礎上，運用結構分析軟件ANSYS建立計算模型，采用混合建模的方法，柱、撐桿采用BEAM188梁單元，拉條采用LINK180桿單元，計算模型如圖3所示。對橋梁結構的位移和拉、壓應力進行分析（如圖4-圖6所示），計算結果表明，模型的最大位移為31.1mm，最大拉應力為42.8MPa，最大壓應力為18.0MPa，最大位移小于規定的最大允許位移40mm，最大應力小于竹材的抗拉強度60MPa。在極限荷載作用下，下緣拉條會拉斷，主梁則會在最大壓應力作用下，局部失穩而失去承載能力，最大位移發生在跨中，最大拉應力發生在下緣拉條，最大壓應力發生在上部的主梁，與實驗觀察的現象基本一致。

結語

本次大賽以竹橋為例，針對橋梁模型加載模擬兩車道車輛荷載不利布置、水平剎車力和橫向風力組合作用的工況展開設計，要求學生熟悉剛性橋墩單跨橋梁的結構特點，掌握復雜靜力荷載組合作用下橋梁結構的受力分析，對參賽選手提出了更高的要求。隨著土木工程專業的本科生教學水平的不斷提高，對實踐環節要求越來越高，結構設計大賽能全面考察學生知識綜合應用能力和動手實踐及創新能力。

參考文獻：

[1]周濟.創新是高水平大學建設的靈魂[J].中國高等教育，2006，（3）：9-13.

[2]毛洪賁，殷德順，郭娟，周愛花.大學生創新實踐能力培養探索與實踐[J].中國林業教育，2010，28（3）：13-16.

[3]周臻，童小東，尹凌峰，陸金鈺，繆志偉.依托結構競賽構建開放式創新研學平臺[J].高等建筑教育，，2011，20（6）：129-133.