复压竹皮制作建筑结构模型优化设计

陈后琼 官 义 张俊杰(长江师范学院 重庆 涪陵 408100)

前言:大学生结构设计竞赛旨在培养大学生的创新意识与合作精神，提高大学生的创新设计能力和动手实践能力，是教育部批准的9个顶级国家大学生竞赛资助项目之一。参赛者必须把握命题要求，精确地进行模型制作。不同的构件，其承受荷载的能力也是有差异的，选择合适的截面形式不仅能够满足荷载要求，还能节约材料，而构件之间的连接关乎整个模型的稳定性，下面将针对“多层建筑和桥梁”在结构选型、节点处理等方面进行阐述。

1 结构选型

优秀的结构有三点:合理的体型、简洁清晰的力流传递路径和有效的能量转移途径。在平面方向上应尽量规则、对称，在立面方向上，如果结构外形与主要荷载下的弯矩图大致相似则会更加经济。为了选择合理的结构形式，本文整理了工程中常用的几种结构形式及其优缺点比较，见表1。

表1 结构形式优缺点比较

网架结构 自重轻、刚度大、空间受力小、抗震性能好 节点多、安装过程复杂拱结构 力学性能好，尤其是对抗压性能好的材料 跨度大时水平推力很大斜拉结构 结构自重轻、节约材料、易施工 对变形的控制难度大悬索结构 结构自重轻、节约材料、易施工 对变形的控制难度大张弦结构(鱼腹式) 自重较轻，跨越能力强，桥梁主结构优选 节点多安装过程复杂

2 理论分析

在初步选型之后需要进行理论计算优化设计，大多采用力学与结构方面的知识进行手算，也可以用一些辅助计算软件如:结构力学求解器或其他有限元软件如:Ansys、Midas等建立有限元模型，计算出初步选型的轴力、剪力、弯矩等内力以及水平位移、竖向位移、转角等位移值，不断对模型进行优化使其受力小又能节省材料。

3 截面形式

一般采用薄壁空心截面杆作为模型杆件，其截面形式和截面尺寸直接影响薄壁杆件的力学性能(刚度、强度、稳定性)，从而影响结构的承载能力。结构设计中常使用的薄壁杆件截面形式如表2所示。

表2各种杆件截面形式及适用情况

4 节点优化

节点的加固初衷是提高节点的抗剪能力，提高梁和柱的整体性，使二者共同有效地协调变形而抵抗活载效应。根据其它优秀文章及自身设计经验总结出以下节点优化注意细节:

(1)在两根杆件对接或杆端与支座连接处增加垫板，且垫板尺寸不得小于对接面尺寸。(2)在杆件连接空隙处撒上竹皮粉末，并滴上胶水。粉末可以充分的填充构件之间的空隙，而且撒上的粉末比表面积竹条大得多，因此可以牢固地粘接构件，。(3)构件粘贴时，须对粘贴面或粘贴边进行谨慎打磨，增加粘黏效果，严禁打磨至露出丝状物。(4)两根杆件180°夹角对接，应使用外部套杆或内部搭接杆，杆长不得小于杆截面高度的2倍。(5)两根杆件非180°夹角对接，应至少在较大弯矩平面内的两侧面增加凸多边形节点板。

5 结语

模型的优劣主要由结构选型和节点处理决定，对于复压竹皮模型，需注意以下两点:

(1)结构选型需充分发挥竹皮材料优越的抗拉性能，在条件允许的情况下多使用预应力张弦竹条不仅可以解决承载力问题，更能获得更佳的稳定性效果;

(2)合理的节点处理能确保结构整体受力的可靠性，尤其是地震荷载等类似动载情况下，确保结构不会因弱节点发生破坏。