结构设计大赛研究之刍议

姜 影, 李华东, 2

(1. 四川师范大学工学院， 四川成都 610101; 2. 西华大学土木建筑与环境学院, 四川成都 610101)

四川省结构竞赛组委会开创大赛目的是调动大学生对结构力学、材料力学、高层建筑结构、大跨度网状结构、桥梁工程等基础知识的综合应用，弥补土木工程类大学生缺少创造性，动手能力弱，团队协作意识欠缺等短板[12]。早期有马宏亮、刘晓红等人对模型设计中选型的研究[13]，刘承斌、张海生等竞赛材料性能试验[14-15]，周克民等对结构的优化分析[16]，也有顾凌赟、徐龙军、杨灯等对全国大学生结构设计大赛赛题研究与探索[17-19]。针对四川省结构大赛近五届赛题研究却没人开展。四川省结构竞赛，对培养西南高校学生创新思维、创新意识和合作精神，培养学生创新设计能力、综合科技能力和工程实践能力等方面发挥着重要作用[20]。

1 结构设计大赛简介

1994年，清华大学土木系开创了结构设计大赛的先河，至今结构设计竞赛已遍及全国各省市，乃至全亚洲级别的结构设计大赛，成为高校土木类学生的一项重要课外活动[1-2]。

2014年第一届四川省大学生结构设计竞赛：大跨空间结构模型制作与冲击荷载测试；2015年第二届四川省大学生结构设计竞赛：塔吊模型制作与承重测试；2016年第三届四川省大学生结构设计竞赛：大跨度空间网络结构模型；2017年第四届四川省大学生结构设计竞赛：无风撑桁架桥梁；2018年第五届四川省大学生结构设计竞赛：巨型框架模型。

2 四川省结构设计大赛历年赛题对比

2.1 五届结构设计竞赛相同点

(1)竞赛背景：四川省结构设计大赛的命题一般源于生活，依据四川区域特点，日常出现的不安全事件而测定该届竞赛主题，运用所学专业知识，满足相应的承载力要求，尽量使结构轻巧高效。随着结构设计大赛的开展以及我国土木类本科生教学水平的提高，为培养学生研究性、自主性、创新性，题目难度越来越具挑战性，要求学生的分析、设计能力也要不断提高[3]。

(2)赛题总说明：都会采用示意图形式呈现，包括加载装置、模型安装平台(尺寸限制等)、测量工具(精度要求)、实验辅助系统等。

(3)模型材料与制作工具：相同。

(4)安装加答辩。

2.2 五届结构设计竞赛不同点

(1)结构形式：有四届明确在赛题详解中规定了结构形式(桁架结构)，而第二届是制作塔吊模型，它属于拉、压、扭联合作用的构件，所以没做明确说明其结构形式。

(2)评分标准：都是100分制，但分值划分占比不同；分值比重大的都划分给加载表现上，但每届赛事计算公式都偏向于在满足承载力要求范围内，模型质量越轻，整个计算得出分值越高。

(3)计算书。

3 材料特性

竹皮(参考值：弹性模量1.0 ×104MPa，抗拉强度60 MPa)，极限荷载与试件宽度关系。

多层复合的竹皮材料，不均匀性较为严重，使用时尽量挑选竹节相对较少，材质较均匀的。在宽度和长度等同条件下，竹皮实验试件的极限承载力随宽度的增加而增大，呈线性相关[4]。0.35 mm厚度试件增长趋势较稳定，承载力具有较强的上升空间，而0.2 mm和0.5 mm厚度试件宽度增加到5 mm以上之后，增长趋势明显放缓，承载力上升空间不佳。且0.35 mm竹皮的节点缺陷相对较少，最适合制作拉索构件[5]。

极限承载力随着厚度增加而增大，其增长幅度呈上升趋势。实验对常海林等人提出的受拉构件极限承载能力Pu与构件宽度D的关系拟合公式(表1)进行验证，可供后期参赛人员构件宽度设计提供参考。

4 结构选型

结构选型[6]决定了整个设计大赛胜负，好的结构形式拥有先天性的优势。在早期的初步选型之后需进一步优化，此时要进行理论计算，可用结构和力学知识手算，也可用辅助计算软件(Midas、Ansys)等进行计算机仿真[7]。Ansys存在图形界面操作复杂，模型检查不方便，命令流语句冗长，出错后不易找出命令语句错误的地方。Midas用户界面友善，操作直观。总的讲Midas采用荷载结构模型计算结构内力整体比Ansys计算结果大[8-9]，但即学即用，更适合本科生学习。

表1 竹皮材料极限承载力与试件宽度关系

5 模型制作

5.1 截面选择

在竞赛模型设计中，截面选择和截面尺寸直接影响薄壁杆件的力学性能，图1为最常见最基本的薄壁截面形式。

图1 薄壁截面形式

假定上部受拉、下部受压，截面选择一般规律如下：

5.2 节点处理

节点连接方法分三类：(1)既美观又轻便的方式，杆件自身处理形成节点，但手工要求高且制作难度大；(2)通过嵌入或连接件连接，较美观，但杆件连接处应力集中存在较大的接触应力；(3)直接打磨杆件致粗糙，胶水直接连接后，外侧采用小蒙皮包裹，美观度较差，但受力性能满足要求。

6 比赛开题时间建议

对于每届四川省结构设计竞赛而言，各高校组织学生开题时间建议为正式参赛前三个月。第一月：组织校内大学生积极参与，做好前期招揽贤才的宣传活动，且安排负责人和指导教师，准备学校预赛实验器材和材料选取与采购；第二月：校内小组自我研究与模型结构摸索；第三月：校内比拼，最优队伍前期再实验与小组参赛推荐人的确定，确认最终参赛模型，制定计算书等工作。

7 结论

对四川省五届结构大赛赛题进行对比，提出相同点和不同点；对比赛材料特性进行分析，选择使用尺寸最优化得推荐参考；有限元分析软件对于大学生和比赛性质就事而论的优缺点，明确结构选型和截面分析，更易精确截面选择；提出高校赛题开题时间规划和建议为后期结构设计竞赛做参考。