结构设计大赛经验浅谈

结构设计大赛经验浅谈

贾笑儒贾笑书

1.青岛三中山东青岛266033

2.青岛二中山东青岛266033

摘要：结构设计大赛是各参赛人员学以致用、展示综合素质的平台。一件出色的作品，必然是建立在充分理解设计要求、丰富的理论知识以及精细的制作的基础上。本文以“登峰杯”全国中学生结构设计竞赛为载体，从结构选型、截面选择、节点处理、结构优化等四方面阐述了一般结构设计大赛作品的创作思。

关键词：结构设计大赛；结构选型；截面选择；节点处理；结构优化

0前言

“登峰杯”结构设计大赛是面向全国中学生的一项比赛活动，每年举办一次。其全面学习了全国大学生结构设计大赛的赛事的相关组织经验，邀请了来自上海交大、清华大学等高等学府的教授作为专业评委。大赛以打造青少年结构设计的创新平台，培养中学生的创新意识、合作精神、动手实践能力和综合素质为目的。

1赛题简介

1.1材料

根据比赛规则，各个比赛队伍需严格按照赛题的要求，使用承办方统一提供的模型制作材料以及模型制作过程中需要用到的相关制作工具。且，在限定的时间内设计及制作出一个结构模型，然后进行加载评测。制作结构的主材为桐木，其质地较脆，抗折性能很差，轴心受拉受压性能较好。

1.2模型设计要求

本次比赛要求制作一个空间结构模型，安装在加载装置上，用于抵抗竖向静力荷载和动力荷载，其中静载为15kg，分5级加载；动载通过一块2kg钢砝码，在其底面距离最上层静力加载块顶面15cm处以自由落体的方式来施加。为满足加载块的放置要求，制作的模型需提供一个可以支撑加载块的平台。根据赛题的要求，模型平台的高度为+150，模型规避区高度为+100，在规避区内不能有任何结构构件。

2结构选型

结构选型是结构设计过程的重要一步，结构选型阶段需要设计者全面使用其掌握的结构设计经验，选用效果最好、造价合理的结构形式。

本次比赛要求制作一个空间结构模型，跨度较大；而主材而桐木质地较脆，抗折、受弯性能很差，经过分析，初步选择桁架结构的形式。桁架结构一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架结构的特点是构件主要承受拉力或压力，能够最大提高材料的使用率，节省材料，降低结构自重。为满足规避区的要求，在桁架下部设置100cm柱，并设置一根斜撑加强其整体性。

3截面选择

结构设计大赛杆件一般采用薄壁截面杆，其截面形式和截面尺寸直接影响薄壁杆件的力学性能即承载力和变形能力，结构设计大赛中使用的最常见最基本的薄壁截面形式。从材料利用率来讲，薄壁圆筒的结构形式材料利用率最高。但因为结构模型需要手工现场制作，圆形截面手工方式很难实现。“工”字型、“T”字型截面抗弯及抗扭性能相对较差。出于对模型制作的可操作性及结构模型承载力方面的考虑，决定选用矩形截面。

4节点连接

结构设计中有“强节点、弱构件”的要求，在模型实际加载中，特别是在动载时，经常出现节点开裂现象。分析原因，在于杆件壁厚较小，仅靠杆件端部薄壁与杆件外表面连接，不能满足“强节点”的要求。而且实际制作中，不能保证杆件端部及表面的平整，这就造成连接部位接触面积过小，受拉更加容易开裂。在实际加载试验中，加动载时结构常因节点开裂而破坏；因此对节点进行加强十分必要。

在钢结构工程中，节点连接中焊接连接及盖板加强型节点可以提供很好的思路。在模型制作中，可利用木粉和胶水模拟焊缝，在杆件接缝处填充木粉，然后滴上胶水，效果与焊缝类似。同样，可利用小木条片覆盖接缝出进行加固，效果与盖板加强型节点类似。实际加载表明，采用此方法处理过得节点在加载过程中基本不会出现开裂现象。

5结构优化

结构的优化设计即在给定的条件下，按某种目标（如自重最轻、造价最低、刚度最大等）设计出最优的方案，称之为结构最佳设计或结构最优设计。结构优化设计的设想由来已久。J.C.麦克斯韦在1854年，J.H.米歇尔在1905年就曾研究过在不加任何形状约束的前提下桁架式结构的最优布局问题。此外，相关设计者还相应提出满应力设计原则：最优结构的各个部件在至少一种工况下，其应力达到其构件材料的容许应力限值。

而对结构设计大赛来说，由于制作材料材质不均匀以及手工制作误差较大，对结构进行定量的计算得出的数据与实际相差较大；但可以利用软件对结构进行定性的分析。对于结构受力较大的部位则采取加固，而受力较小部位则可以减小构件尺寸，甚至去掉该处杆件，使材料利用率最大化。

结构模型的优化，就是从繁到简不断减少结构构件优化结构的过程。荷载为均布荷载加偏压冲击荷载，荷载加载区域在结构中部420mm范围之内，如图1方案1所示。通过分析可知，在模型上部结构中处于加载范围之外的部分受力较小，完全可以去掉。结构从方案1优化为方案2，从实际加载来看，去掉该部位构件对结构承载力没有影响，完全满足加载要求。

图3方案3图4方案4

对于方案2，为求对结构进行进一步优化，考虑将柱侧撑作为斜柱直接与上部桁架结构直接相连，得到方案3模型；模型构件数进一步减少，结构自重进一步减少，而且通过分析可知结构受力更为合理。

对于方案3，将上部桁架结构简化为单层，在侧面加之以交叉斜拉加强结构整体性，得到方案4；模型构件近一步减少，杆件大多处于轴心受力状态，受力合理，材料利用率达到较高水平。该方案材料利用率较高，因此对结构制作的精确度要求较高，若制作偏差较大，出现受力不均，局部应力超过材料的极限应力，结构会出现破坏。

6总结

结构设计大赛是学生发散思维、学以致用的一个平台，其工作包括了结构选型、截面选择、节点处理、结构优化等与实际工程相关的各个方面。而结构优化则是由繁入简，不断提高材料利用率的过程。只有掌握了丰富的理论知识，熟悉结构设计的思路流程，加上精确的制作，创造出的作品才能脱颖而出。