大学生结构设计大赛指导

大学生结构设计大赛指导

大连民族学院土木建筑工程学院

二OO八年 十 月

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目 录

一 结构设计大赛的意义及背景………………………………… 1 二 结构设计大赛的题目 …………………………………………2 三 采用的材料及其性能 …………………………………………5 四 评分办法 ………………………………………………………6 五 方案的确定及理论分析 ………………………………………8 六 制作技巧 …………………………………………………… 9 七 往届大赛的题目及作品介绍 ……………………………… 13

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一、结构设计大赛的意义及背景：

结构设计大赛是一项极富创造性，挑战性的科技竞赛。它旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神，提高同学的动手能力与思维能力，突出创新精神，加强同学之间的合作与交流，培养团队精神，丰富同学的课余生活。通过结构设计大赛可以很好地将课堂理论与实际工程紧密结合起来，培养大学生的设计与计算能力，全国性大学生结构设计竞赛已被教育部列为大学生9项科技竞赛之一。2005年，由国家教育部高等教育司和中国土木工程学会教育工作委员会联合主办，在浙江大学举行了全国第一届大学生结构设计竞赛，比赛的题目是：“高层建筑结构模型的制作和加载试验”。全国第二届大学生结构设计竞赛将于2008年10月由大连理工大学承办，竞赛题目是：“两跨两车道桥梁模型的制作和移动荷载作用的加载试验”。

2007年5月，由辽宁省教育厅高教处主办，由大连理工大学承办了第一届辽宁省大学生结构设计竞赛，竞赛题目是：“承受运动荷载的桥梁结构模型设计”，我校获得了二等奖1项，三等奖2项，并获得最佳结构奖和最佳组织奖。同时，我校在历届大连市大学生结构设计竞赛中都获得了非常好的成绩。刚刚结束的第四届大连市大学生结构设计竞赛的题目是：“两跨双车道桥梁结构模型设计、制作和移动荷载作用的加载试验”,与全国第二届大学生结构设计竞赛的题目相同，我校获得了一等奖1项，二等奖1项，并获得3项优秀奖及最佳组织奖。 我校为丰富校园学术氛围，提高学生的创新设计能力，也已举办过3届结构设计大赛，同学们踊跃参加，收到了很好的效果。

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二、结构设计大赛的题目

历届大赛的主要题目为：大跨屋盖结构模型；桥梁模型；高层建筑模型等。 一般为给定题目，要求采用规定的材料，在一定时间内设计并制作出一个结构，通过承载能力试验，以荷重比为主要决胜因素，再综合考虑各项因素评出获奖等级。

1. 大跨屋盖结构体系概述： 1.1门式刚架结构

刚架结构通常是指由直线形杆件通过刚性节点连接起来的结构。杆件较少，制作方便，结构内部空间较大，梁柱刚接，横梁弯矩较铰接减少，适用于中小跨结构，刚度较差，受荷后产生挠度。 1.2桁架结构

桁架结构是指由若干 直杆在其两端用铰连接而成的结构。受力性能合理，计算简单、施工方便、适应性强，对支座没有横向推力，因而在结构工程中得到了广泛的应用。在房屋建筑中，常用来作为屋盖的承重结构，通常称为屋架。屋架的选型原则： 受力合理，屋架外形应尽量与弯矩图相近，以使弦杆受力均匀，材料充分利用，腹杆的布置应使内力分布合理，短杆受压，长杆受拉，而且杆件和节点数量要少，总长度要短，尽量使荷载作用在节点上。 1.3拱结构

杆轴为曲线且在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构。拱是以受压为主的结构，拱截面有一定的刚度，不能自由变形。拱结构是使构件摆脱弯曲变形的 一种突破性发展，它为抗压性能好的材料提供了一种理想的结构形式。 1.4.网架结构

是由很多杆件通过节点，按照一定规律组成的网状空间杆系结构。可分为平板网架和曲面网架。为多向受力的空间结构，跨度大，刚度大，稳定性好。杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料的强度。高次超静定，安全度高，结构高度小，不仅可以有效地利用建筑空间，而且能够利用较小的杆件建造大跨度结构。

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1.5悬索结构：

是由一系列高强度（钢）索组成的一种张力结构，由于自重轻，用材省，能跨越很大的跨度，是一种比较理想的大跨度结构型式。悬网只受轴向拉力，既无弯矩，也无剪力，受力简单。悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最充分地利用材料的强度。便于建筑造型，容易适应各种建筑平面。但悬索屋盖结构的稳定性较差，所以悬索结构的边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。 2. 桥梁结构体系概述：

桥梁一般是由五大部件和五小部件组成，五大部件是指桥梁承受汽车或其他车辆运输荷载的桥跨上部结构与下部结构，是桥梁结构安全的保证。包括(1)桥跨结构(或称桥孔结构.上部结构)、(2)支座系统、(3)桥墩、(4)桥台、(5)墩台基础。五小部件是指直接与桥梁服务功能有关的部件，即桥面构造，包括(1)桥面铺装、(2)防排水系统、(3)栏杆、(4)伸缩缝、(5)灯光照明，

桥梁按结构形式不同，分为梁式桥，拱桥，刚架桥，缆索承重桥(斜拉桥和悬索桥)，此外还有组合体系桥。 各类桥梁的基本特点： 2.1梁式桥：

包括简支板梁桥，悬臂梁桥，连续梁桥。其中简支板梁桥跨越能力最小； 2.2拱桥：

在竖向荷载作用下，两端支承处产生竖向反力和水平推力，正是水平推力大大减小了跨中弯矩,使跨越能力增大，现代的拱桥通常采用轻巧、开敞式的结构； 2.3刚架桥：

有T形刚架桥和连续刚构桥，T形刚架桥主要缺点是桥面伸缩缝较多，不利于高速行车。连续刚构主梁连续无缝，行车平顺。施工时无体系转换。 2.4缆索承重桥(斜拉桥和悬索桥) ：

可以建造跨度非常大的桥梁，桥面靠钢缆吊在半空，缆索悬挂在桥塔之间。

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2.5组合体系桥：

有梁拱组合体系，如系杆拱，桁架拱，多跨拱梁结构等。梁刚架组合体系，如T形刚构桥等。 2.6桁梁式桥：

有坚固的横梁，横梁的每一端都有支撑。最早的桥梁就是根据这种构想建成的。他们不过是横跨在河流两岸之间的树干或石块。现代的桁梁式桥，通常是以钢铁或混凝土制成的长型中空桁架为横梁。这使桥梁轻而坚固。利用这种方法建造的桥梁叫做箱式梁桥。 3. 高层建筑结构体系概述 3.1框架结构的特点

侧向刚度小，侧移较大； 3.2框--剪结构体系的特点

对结构设计大赛而言，自重较大； 3.3巨型桁架结构体系

经典案例为中银大厦，由贝聿铭设计，整个建筑可以说是结构美和建筑美的统一。建筑即结构，结构即建筑。三角形的受力简洁明快，巨型立柱对角布置，使得抗倾覆力臂达到最大，而从底到顶不断缩进，使得结构受力极为合理； 3.4 筒体结构体系

西尔斯大厦应该说也是建筑和结构统一的又一著名案例，成束筒向上逐渐截断，简单又完美； 3.5框筒结构体系

著名的建筑如汉考克大厦，核心筒+斜撑；

采用何种结构体系首先应该考虑结构能否实现并且安全，然后再考虑建筑上的美观。在制作过程中始终应当注意的是：荷重比和侧移。因此“轻质高强”是我们最求的目标。

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三、采用的材料及其性能：

一般采用白卡纸，木材，易拉罐（铝质），铅发丝线（鞋底），白胶和硫酸纸。 1.白卡纸

白卡纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗弯压能力近似为零。但将纸卷成筒状或并用乳胶粘结后，可承受弯矩并可承受一定的压力，但受长细比的，多为压杆失稳状态的受力破坏，所以受压杆的长度不宜过长。 2.乳胶

乳胶的粘接性能：粘结力强，满足结构受力特点，但湿度大，不易干燥，干燥后硬度大，容易产生脆性破坏。纸带对接时强度约降低50％，纸带侧接时，强度较高，能够达到与母材强度相同。 3.铅发丝线（鞋底）

也称作蜡绳，它的性质是受拉强，不能受压。需要注意的是：如果想采用蜡绳做拉杆，并想利用预应力原理的话，施工时比较困难，因绳子节点处难以固定，将会造成类似于砼的应力松弛问题。 4.硫酸纸

硫酸纸往往被认为是只能用来做装饰而不能作为主要构件参与结构受力，其实不然。在第一届全国大学生结构设计大赛中获一等奖的东南大学的“蒙皮结构”可以说是本次比赛的最大亮点，也是最有创意的地方。简洁的厂房体型，简单的四根柱子，外墙用硫酸纸包一圈，使四周密封，形成蒙皮结构，在承受侧向荷载的时候，整个外墙面传递荷载，传力途径多样，模型本身很轻，制作工艺简单，受力性能良好，可以说是比赛中最优秀的结构。

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四、评分办法：

从历届的大赛来看，总成绩主要由以下部分组成：

总分为100分，包括结构造型与体系、理论分析、模型制作、叙述答辩和加载试验5个方面。

1.结构造型与体系（10分）

按模型结构的构思、造型和结构体系的合理性、实用性和创新性评分。

2.理论分析（10分）

内容应包括：设计说明书、方案图和计算书。设计说明书应包括对方案的构思、布局、功能、结构选型及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图；计算书应包括计算模型、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。

按设计说明书、方案图和计算书内容的完整性、正确性评分。 3.模型制作（10分）

按模型制作工艺情况评分。

以上3项均在加载前评毕。模型尺寸及材料使用不符合设计制作要求的，或参赛过程中有其他违规现象的将直接淘汰，不进入加载试验阶段。 4.叙述答辩（10分）

按现场叙述和答辩情况，由评委当场给分。 5.加载试验（60分）（以桥梁设计题目为例）

以桥梁设计题目为例，加载过程中，如果出现下列任一情况，将视为加载失败，退出加载试验：

（1）模型跨中的最大竖向位移越过规定的限值；

（2）因模型主要构件出现失稳、结构变形过大和破坏等本身原因，使小车滑落或使小车除车轮外的其他部分与桥面板或桥梁的其它构件接触。

完成加载试验的模型，按以下方法计分：

先按荷重比（F=Q/W）计算出各模型的相对分，其中Q代表模型所承受的最大

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移动荷载（N），W代表模型自重（N）；再将F值为最大（记Fmax）的模型定为满分（60分），其余模型的分数按（满分×F/Fmax）计算。

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五、方案的确定及理论分析

1.方案的确定

按照大赛给定的题目，可查阅大量资料，结合已学过的专业知识，首先确定多个方案，然后进行可行性分析及比较，使最终方案的造型和结构体系合理，并且具有实用性和创新性。

2. 理论分析

包括：设计说明书、计算书和方案图。

设计说明书应包括对方案的构思、布局、功能、结构选型及其他有特色方面 说明；计算书应包括计算模型、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。方案图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图。

详见第七部分

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六、制作技巧

1.准备工作

1.1 材料性质的初步认识

如常用的材料： 230g巴西白卡纸，他的含义是：每张Ao纸重230g。此类纸不同区域都略有不同，但大体还是一样的。如重量，强度等。在制作模型过程中，需要注意的几点有： a.白卡纸的保护问题：

刚买好的纸务必好好保管，最好有足够大的地方将其平摊，上面再用东西盖一下，以免受潮。注意不要伤着白卡纸，一旦上面有折皱，这张纸基本上就废了，因为受伤的纸强度会降低很多。 b.顺纹和逆纹:

仔细观察白卡纸会发现顺，逆纹的差别。一般来说，沿长边方向是顺纹，沿短边方向是逆纹。讨论顺和逆的差别基于两点：第一主要是施工上的因素，沿顺纹剪裁要方便得多，也更顺手些；第二，强度上的因素，顺纹方向强度稍大于逆纹方向。因此，在制作构件过程要尽量注意沿顺纹裁剪。 c.光滑面与粗糙面:

白卡纸一般是一面为光滑面，一面是粗糙面。用粗糙面粘结效果会更好，因为表面的粗糙不平，将增加结合处的咬合力，也就增加了粘结力。 d.湿度的问题：

在夏季潮湿季节里，白卡纸易受潮，制作的构建强度会降低，因此需好好保养。建议在制作构件及拼装结构的时候准备个电吹风。祥见后述。 e.白乳胶：

白乳胶的粘结效果很好。需要注意的是乳胶的浓度问题。太稀，内含水分太多，凝固时间太长，太稠，粘结不牢，都不可取。觉得太稀的话，可让其自然风干一小段时间，但不要太久。 1.2 工具的匹配

一些基本的工具主办方会提供，这里提出几个有助于保证作品质量的工具：

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a.电吹风：

能让构件在短时间内达到期望强度所必备的工具； b.玻璃板：

它的作用在于划纸时方便快捷。若采用普通的绘图板（木制），用刀划纸时会伤到木板。

c.用完的圆珠笔笔芯：

该工具主要用于著作有棱角构件（如矩形柱梁等）时的划痕。在需要弯折的地方先用它划一条痕（注意用力适度）再折，这样对纸的伤害不大，而使弯折容易进行，并且制作出来的构件棱角分明，美观。 d.圆棒：

笔芯用完的圆珠笔杆是制作多边形构件的必备品。 2.构件的制作和养护 2.1各种构件的常规制作技巧

a.两层矩形梁的制作（以1cm×1.5cm尺寸为例）

应该考虑白卡纸的厚度（一般单层白卡纸厚度为0.3--0.33mm），因此，内层矩形尺寸可稍微减小，裁纸完毕，在需要弯折的地方用圆珠笔划痕，然后均匀涂胶，粘贴。 b.箱形梁柱的制作

这里箱形梁柱指的是里面用两个小矩形先并排粘结形成内胆，然后外面再套粘一个大的矩形。这种构件最大的优点是单向强度大，适于比赛。缺点是耗纸量偏大。制作有一定难度。这里列出一些制作要点：

裁纸时仍需要考虑减小内层小举行尺寸；粘结小矩形时需定好位，偏差不可太大；外层大的矩形每次只粘一个边。涂好乳胶粘住后双手来回在梁上移动，轻压梁，使内部粘结密实，防止“起泡”。粘结上的小技巧：制作长柱时，若一个人粘结，只能从一边粘到另一边，则会出现一边粘好了，而另一边由于乳胶没有凝固好而脱落的问题。或者即使勉强粘好，长柱却过度扭曲变弯而作废，所以，可以先做一个内径比需制作构件稍大的套筒，将套筒套在刚粘住的一边，箍住内

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核使其不变形，且不脱落。而双手可以空出来粘另一边。这对长柱的制作非常重要

c.圆形柱梁的制作

以内径为1cm的1m长的三层柱为例：

①划纸。宽度可取10.5cm左右；

②在宽度为3cm处用铅笔轻划一条控制线，该控制线的用处在于从该线起向外的7.5cm宽需涂胶。即该线为涂胶的起始点。

③初卷。将圆棒（注意：如果要作内径为1cm的柱，圆棒的内径比1cm要稍小点，如8mm）放在不需涂胶的宽度为3cm的起始位置处，两人配合将这3cm先卷一定弧度，然后松开，移走圆棒，进入下一工序。

④涂胶。涂胶要快，作一些小的厚纸片用来刷胶要比用笔涂要快且效果好，可分两次，从3cm处涂至8cm处，待卷到8cm处时再涂余下部分的宽度。

⑤卷圆柱。由于是1m长，最好两个人配合。可以一人负责卷一半或者一人轻压卷好的地方，另一人负责卷。这是最关键的一步。长圆柱的一端定为A端，另一端为B端。卷的方向为从A到B。首先在距A端大约0.4—0.5处附着圆棒卷一圈。此时务必注意不要伤纸。因为这时一不小心，纸就会受伤而作废。然后一人轻压已卷好的地方，另一人则先沿圆棒纵向向A端卷，卷好后一人将这部分轻压，且不断左右移动（这是为了避免伤纸，也可以使胶粘结均匀，防止起泡），另一人继续向B端卷。待第一层已经卷好，此时可以沿着纸条宽度方向推进卷第二层了。白乳胶干了再补胶。直到圆柱卷好，然后取出圆棒。

一般来说制作成熟后大约10min/根。另外建议在需要圆柱数量的基础上多做2根，以后可以择优选取。圆形梁的做法与其类似。 2.2养护

养护是制作中非常重要的一个环节。方形柱梁只要稍微养护下就行，不会出现弯扭得现象，因此，这里的养护主要是对圆形构件而言。真正做到让圆柱不弯很难，可以控制在允许接受的范围内并可通过在拼装结构的时候纠正过来。养护

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时先将圆棒插入已经制作好的构件中，然后将构件整齐放好，用电吹风吹干。注意吹得时候尽量的保证柱均匀受热。 3 结构的拼装 3.1 节点制作

做到节点强度要大于梁柱强度。 a.方形柱与方形梁的连接比较简单；

b.方形柱与方形斜撑得连接及圆形柱与圆形梁的连接，圆形柱与圆形斜撑的连接，采用“相贯线”连接比较美观； 3.2 拼装后的补强

结构拼装好后，先用电吹风吹干结构，发现有地方比较弱随时加胶补强。

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七、往届大赛的题目及作品介绍

作品一

浙江省第五届大学生结构设计竞赛

一、竞赛题目

大跨屋盖结构模型设计与制作 二、竞赛内容

利用指定的材料和工具设计并制作一个大跨空间屋盖结构模型，放置于给定 的基座上，要求能够在几个指定的位置承受一定的竖向静荷载。具体竞赛内容包括：方案设计与理论分析、结构模型制作、作品介绍与答辩、模型加载试验。 三、竞赛要求 1.参赛要求

⑴参赛者为全日制在校本专科学生，以组队形式参加竞赛。每个参赛队不得多于3人，提倡跨专业组队参赛。各参赛队应设计、制作，每位参赛者只允许参加一个队。竞赛期间不得任意换人，若有参赛队员因特殊原因退出，则缺人竞赛。

⑵每个参赛队只能提交一份作品，作品必须命名。作品名称不能带有任何有关参赛学校和个人的信息，否则取消参赛资格。

⑶参赛队必须在规定时间和地点参加竞赛活动，迟到或缺席者作为自动弃权处理。

2.方案设计与理论分析要求

⑴内容应包括：设计说明书、方案图和计算书。设计说明书应包括对方案的构思、功能、结构选型及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构布置图、主要构件和支撑详图、方案效果图；计算书应包括计算模型、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。 3.设计制作要求

⑴模型制作材料为可口可乐易拉罐（铝质）和白胶。不得使用组委会指定以外的其它任何材料，否则，一经查实，将直接取消其参赛资格，并通报。 ⑵模型的平面和立面造型不限。但模型应具有适当的平面尺寸和底部支撑，以便能够恰当搁置加载装置的支承面上（支承面为1m×1m的方框边缘，边缘

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宽25，支承点自定，立于方框上即可）。模型底部最低点距支承面的高度不应大于150mm，最低点以下不得有任何构件。模型顶部最高点距支承面的高度不应大于200mm.

⑶各模型应提供9个加载点，各加载点的位置距1m×1m的方框中心230，允许误差±10。每个加载点必须设置加载拉环，拉环底部到支承面的距离为200 mm. 4.加载步骤及要求

⑴各参赛队按抽签顺序进行加载。参赛队员根据事先抽签的结果将模型安放在组委会提供的加载装置上。

⑵竖向静载试验。先进行3次单边加载。规定最小加载重量为每个加载点20N，最大40N。再进行双边加载（所有加载点），各加载点的加载重量与单边加载时相同。

⑶挠度检测：模型最高点挠度检测，挠度超过25,即为加载失败。 四、评分规则

⑴建筑造型（10分） ⑵结构体系（10分） ⑶理论分析（10分） ⑷模型制作（10分） ⑸叙述答辩（10分） ⑹加载试验（50分）

若模型在加载过程中出现结构整体或局部强度破坏 、失稳，则认为该级加载失败，退出加载试验。

计分方法：先按荷重比（F=Q/W）计算出各模型的相对分，其中Q代表模型 所承受的最大单边或双边加载重量（N），W代表模型自重（N）；再将F值为最大（记Fmax）的模型定为满分，其余模型的分数按（满分×F/Fmax）计算。

浙江省第五届大学生结构设计竞赛组委会

二OO六 年 九 月

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一等奖作品

“千年龟壳”屋盖结构模型设计方案

学院名称 XXXXXXXXXX 专业名称 土木工程 学生姓名 XXX 、 XXX 、 XXXX 指导老师 XXXXXXXXXXXXX 联系电话 XXXXXXXX

浙江省大学生结构设计竞赛组委会

二OO六 年 十 月

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一、设计说明书

根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度等方面出发，采用社会上收集的易拉罐罐体、用改性丙烯酸酯胶作为粘结剂，精心设计制作了“千年龟壳”屋盖模型。刚与柔的完美结合是这个模型的最大特点。 1、结构体系

主体为张弦梁的结构体系：屋面板和方型梁的组合，作为张弦梁的压弯系统，承担结构的整体受弯、受压和抗剪；单根铝片作为张弦梁的受拉系统，承担下部拉力；方型薄壁杆作为张弦梁的中间撑杆，协调上述两者共同工作，承受压力。 2、截面选择

用U型加两侧翼缘和面板黏结组成完整的箱型截面，让屋面板参与整体受力，产生蒙皮效应；铝条抗拉能力强，因此采用简单的“一”字型截面；撑杆受压，采用方型既有利于稳定，又有利于与上部箱型梁的紧密连接。 3、节点设计

支座处：采用封闭箱型局部加固端部，保证能承受较大的支座反力；采用双层材料在梁底夹住铝条，保证铝条不因受拉而产生支座处突然脱开。

加载处：将连接拉环的铝条，从方型薄壁撑杆中穿过后，直接粘贴于方型梁顶，加载时荷载通过拉环和铝条直接作用于梁上。合理的模拟了现实中张弦梁的工作状态。 4、制作处理

在制作过程中使模型整体向上微拱，使梁尽可能受压力而少受弯，有利于梁的稳定和减少挠度。 5、设计假定

（1）材质连续，均匀；

（2）梁与梁之间结点为刚结；梁与撑杆之间的连接为铰结；撑杆与下部拉条之间为铰结；屋盖支座为简支；

（3）屋盖本身质量不计；加载时，荷载以集中力的形式作用在指定的九个节点处。

（4）杆件计算时采用钢结构的计算模式；

根据以上假定，通过结构力学求解器建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。

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二、方案图

1．模型结构图

“千年龟壳”效果图

“千年龟壳”仰视图

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模型实物图

2． 结构整体布置图

1a12a21a3节点7

节点8Z7Z4Z1Z8Z5Z2Z9节点5

节点6bZ6Z3左视图(1-1)

节点4节点3节点1节点21

2仰视图

1左视图(2-2)

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3.截面详图

150.22797梁

80,11撑杆

68撑杆

三、计算书 1 .结构选型

拉条

采用“丰”字交叉式张弦梁结构形式。结构以“三”为主受力，“︱”为次受力

合理性和实用性:

张弦梁结构综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。 创新性:

1．模型结合了一般的双向井字交叉张弦梁结构和单向张弦梁制做简单、受力明确等优点，克服了双向井字交叉张弦梁双向协同工作困难的缺点。

2．对次受力方向的一榀张弦梁（b）做了特殊处理。

制做时对主受力方向的三榀张弦梁（a）的拉索的绷紧程度大于b的拉索，因此在加载时b较a后屈服破坏，从而给予a足够的侧向支撑保证，尽可能发挥a的受力性能。而且b的设置对减小中间挠度效果明显。具体工作原理如下：

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7加载a1、a2、a3受主受力方向的三力继续增加，榀张弦梁（a1、a2、a3）的拉增加荷载达到一定变形增加荷载时，b的拉索绷索拉紧，开始紧，b开始工作工作。次受力方。向的一榀张弦梁(b)未受力。a1、a2、a3开始屈服，b未屈服，给a1、a2、a3提供稳定的侧向支撑作用。2．荷载分析

根据本次比赛的加载规则，考虑最不利情况取三个40N集中荷载同时作用。 原因如下：加载过程中可能会因为加载链的长短和原来挂钩的长短，导致加载有先后。但是，其先后不会相差很大，最多相差20N(在第一个20N的砝码作用上去时)，与三个40N的同时作用相比较，后者更为不利。

另外在加载时会存在一定的动力效应，及加载时的不均匀性等不利因素的影响，采取在制做时适当加强构件的措施，计算时不予考虑。 3．计算简图与内力分析 （1）主张弦梁(a2)简图

40N 40N 40N

a.弯矩图(N*mm)

34．08 291．66 291.66

231871( 1 )( 8 )2( 2 )34.083( 3 )( 9 )291.668( 10 )( 7 )( 6 )7y

x

45( 4 )( 5 )( 11 )291.666291.6634.085 22

b.剪力图(N)

1.44 1.29

( 2 )( 3 )234( 1 )( 4 ) 15( 9 )( 11 )( 8 )( 5 )( 10 ) -1.29 -1.44 -1.441.29-1.291.4486( 7 )( 6 )7

c.轴力图(N)

y

x -107.85 -106.44 -106.44 -107.85

( 2 )( 3 )-42.58-21.29108.55114.-106.44-107.85 234( 1 )( 4 )15( 11 )( 5 ) ( 8 ) ( 9 ) -21.29 ( 10 ) -42.58 86( 7 )( 6 )

7114. 108.55 108.55 114.

d.位移图(竖向值mm)

y

x

-1.975 -2.427 -1.975 ( 2 )( 3 )234( 1 )( 4 )15( 9 )( 11 ) ( 8 )( 5 )( 10 )86( 7 )( 6 )

7 -1.926 -2.293 -1.926

（2）主张弦梁(a1、a3)简图

x 40N 40N 40N

a.弯矩图(N*mm)

-474.11 -474.11 -474.11-474.11( 2 )( 3 ) 234( 1 )1( 9 )( 11 )1257.87 ( 8 ) -1257.87 ( 10 )8( 7 )( 6 )67

y

y

( 4 )( 5 )-474.111257.87523

x

b.剪力图(N)

-2.34 8.66 -8.66 2.34 ( 2 )( 3 )234( 1 )( 4 )1( 9 )( 11 )( 10 ) ( 8 )( 5 )( 7 )( 6 )867

y

c.轴力图(N)

x

-114.32 -113.40 -113.40 -114.32 ( 2 )( 3 )-22.68-34.02113.97122.14-113.40234-114.32( 1 )( 4 ) 1( 9 )( 11 )( 8 )( 5 ) -34.02 ( 10 ) -22.68 ( 7 )( 6 )86 7 122.14 113.97 113.97 122.14

yd.位移图(竖向值mm)

x

-1.757 -4.320 -1.757

( 2 )( 3 )234 ( 1 )( 4 )1( 9 )( 11 )( 10 )( 8 )( 5 )

8( 7 )( 6 )6 7 -1.678 -4.258 -1.678

-2.342.34-8.668.66555内力分析结果：

y

梁的最不利组合为：M=1259.87N•mm，N=114.34N，V=8.66N

x

撑杆（Z1—Z3、Z7—Z9）的最大轴力为：Nmax=42.58N 撑杆（Z4、Z6）的最大轴力为：Nmax=36.N 撑杆（Z5）的最大轴力为：Nmax=42.58N 拉索：Nmax=122.14N

24

4．强度，刚度，稳定性校核

已知材料：铝质易拉罐侧面，厚0.11mm

改性丙烯酸酯胶粘剂（AB胶） 材料性质：

经实验测的材料的极限抗拉强度为236N/mm2 ,屈服强度fy=190N/mm2,设计强度f=180N/mm2，抗剪强度τ=104 N/mm2。 (1)梁：

由内力分析可知,最不利组合为：

M=1259.87N•mm N=114.34N V=8.66N

截面特性：

A1=7*0.11*2+9*0.11*2=3.52mm2A2=4*0.22*2=1.76mm2Y1=4.61mmY2=0.11mmY=

A1⋅Y1+A2⋅Y2

=3.11mm

A1+A2

7.22*9.2237*93

Ix1=−+3.52*(3.11−4.61)2=.24mm4

12122*4*0.223

Ix2=+2.2*(3.11−0.11)2=19.81mm4

12

Ix=.24+19.81=74.05mm4

S*=(3.11−0.74)*(2*4*0.11+3.11*0.11*2)=3.71mm3

25

强度的验算：

NM⋅y114.341259.87*3.11σ=+x=+=74.48N/mm2≤f=180N/mm2满

AIx3.52+1.7674.05V⋅S*8.66*3.71τ===1.97N/mm2<[τ]=104N/mm2

Ixb74.05*0.22足要求。

由于梁与屋面板紧密黏结，可以保证其整体稳定性。另外，在梁上集中荷载作用处，采用局部加厚等构造措施以满足局部强度的要求。

(2)撑杆（Z1—Z3、Z7—Z9）

由内力分析可知：

Nmax=42.58N 截面特性：

A=4*0.11*7=3.08mm2

7.22*7.22374

I=−=26.36mm4

1212I26.36i===2.96

3.08Al=110mm

l110λ===37.16

i2.96

190=33.41

235235查表得，ϕ=0.924

N42.58σ=max==14.96N/mm2≤f=180N/mm2

ϕA0.924*3.08λ=37.16*满足要求。

fy 26

（3）撑杆（Z4—Z6）

其中 Z4、Z6的l=130mm，Nmax=36.N。

Z5的l=150mm，Nmax=42.58N。 A=4*0.11*8=3.52mm2

8.22*8.22384I=−=39.12mm4

1212I39.12i===3.33 A3.52l=150mm

l150λ===45.04

i3.33

190=40.50

235235查表得，ϕ=0.7

N42.58σ=max==13.49N/mm2≤f=180N/mm2

ϕA0.7*3.52λ=45.04*满足要求。 l=130mm

l130λ===39.04

i3.33fy190λ=39.04*=35.1

235235查表得，ϕ=0.918

Nmax36.σ===11.34N/mm2≤f=180N/mm2

ϕA0.918*3.52满足要求。

27

fy（4）拉条

抗拉强度验算： A=0.11*6=0.66mm2Nmax=122.14Nσ=

N122.14==185.06N/mm2≈f=180N/mm2 A0.66185.06−180

×100%=2.8%<5%

180

满足要求。

（5）支座处剪力验算:

120

=60N 2

已知梁的截面性质： Fs=

S*=3.71mm3 Ix=74.05mm4 τmax

Fs×S*60×3.71===13.66N/mm2<[τ]=104N/mm2 ，满足要求。 Ix×d74.05×0.22

另外支座处局部压应力采用局部加强措施保证。

（6）位移校核:

由于制作、拉弦松弛等原因，加载时当拉弦绷紧开始工作时，相对与初始状态有挠度∆δ（5号点）产生，经试验测得∆δ=6.2mm，有结构力学求解器求的中间5号点的挠度δ=2.43mm。

总位移为：∆δ+δ= 8.63<30mm，满足要求。

综上所述，模型在每个加载点加载40N力的情况下，结构的强度、刚度、稳定性都满足要求。

28

作品二 大连市第四届大学生结构设计竞赛

一.竞赛题目

两跨双车道桥梁结构模型设计、制作和移动荷载作用的加载试验 二．竞赛内容

竞赛内容包括：理论方案设计、结构模型制作、作品介绍与答辩、模型加载试验。 三．竞赛要求

1. 理论方案要求

(1)理论方案的内容应包括：设计说明书、方案图和计算书。设计说明书应包

括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图；计算书应包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。

(2)理论方案封面必须注明作品名称、参赛学校、参赛队员姓名和专业、指导

老师，并加盖参赛学校教务处公章（详见附件一）；正文按设计说明书、方案图和计算书的顺序编排。除封面外，其余页面均不得出现任何有关参赛学校名称和个人姓名的信息，否则取消参赛资格。

(3)理论方案要求用A4纸打印，一式五份于规定时间内交到竞赛组委会，逾期作自动放弃处理。 2. 设计制作要求

(1)模型制作材料

模型制作材料为组委会统一提供的230克巴西白卡纸、铅发丝线（鞋底）和白胶。不得使用组委会指定以外的其它任何材料，否则将直接取消其参赛资格，并通报。 (2)模型尺寸要求

模型的长度不得大于2035mm，模型的外轮廓横向最大宽度不得大于300mm，桥面设置两个车道，每个车道宽不得小于100mm，因两车道之间设有行车导索，所以车道之间不能有立柱、拉索一类的构件。桥面以下的模型高度不得大于150mm，桥面高差不得大于20 mm。

桥面要求满铺且能承受加载小车的荷载。模型除与支座、两端下压板（提供竖向向下压力）、前端挡板（防止小车前进时模型滑移）接触外，不能与加载装置的其它部位接触。为保证小车能够顺利通过，模型应根据加载小车的尺寸，预留足够的通行空间，并能够满足给定的加载装置，请参赛队注意加载装置给定的条件。

在两个跨中的左右两个车道中线以外要设置位移量测点，量测点处需有一个不小于10 mm×10 mm、与主结构有足够连接刚度、水平方向、面朝下的平面，位置如附图所示。 （3）支座条件

加载装置设置三个支座，位于一条直线上，外侧两个支座的中心距为2010mm，中间支座位于外侧两支座之间的任意位置。支座沿顺桥方向宽度为

29

25mm，支座沿横桥方向长度为300mm。三个支座均可为模型提供竖向支承，不提供水平作用力和转动约束。各支座均可以根据需要调整高度。

外侧两个支座上方设下压板，可为模型端部提供竖向下压力。在小车行进方向前端，模型可以利用加载装置提供水平推力以抵抗牵引小车而产生的水平力，加载装置后端不提供水平力。

3 加载试验要求

（1）模型加载试验采用两辆重量相同的小车加载，分别行驶在同方向的不同的车道上。当第一辆车匀速行驶到离出发点为1米时，第二辆车开始启动。每当小车到达模型较大跨跨中（如两跨相同，则为行驶方向第二跨）时，小车必须停止10秒钟，同时测量跨中的位移，然后再继续匀速缓慢通行。整个加载过程的总时间不得多于150秒。小车由参赛选手牵引，牵引过程中不允许接触小车。

（2）加载小车重量分为6kg、7kg、8kg、9kg、10kg五个级别，参赛队只有两次加载机会，赛前需预报第一次加载重量级别，第二次加载重量级别各队可视第一次加载情况现场决定。

（3）加载小车外轮廓最大尺寸为长200mm，宽90mm，高150mm，小车有前后两个车轮，车轮中心轴距离为120mm，前后轮均为圆柱体，圆柱长度为80mm，车体底平面距离地面15mm（详见示意图）。 四．评分规则

总分为100分，包括结构造型与体系、理论分析、模型制作、叙述答辩和加载试验5个方面。

1、结构造型与体系（10分）

按模型结构的构思、造型和结构体系的合理性、实用性和创新性评分。

2、理论分析（10分）

按设计说明书、方案图和计算书内容的完整性、正确性评分。 3、模型制作（10分）

按模型制作工艺情况评分。

以上3项均在加载前评毕。模型尺寸及材料使用不符合设计制作要求的，或参赛过程中有其他违规现象的将直接淘汰，不进入加载试验阶段。

4、叙述答辩（10分）

按现场叙述和答辩情况，由评委当场给分。

5、加载试验（60分）

加载过程中，如果出现下列任一情况，将视为加载失败，退出加载试验： （1）模型跨中的最大竖向位移越过规定的限值（20 mm）；

（2）因模型主要构件出现失稳、结构变形过大和破坏等本身原因，使小车滑落或使小车除车轮外的其他部分与桥面板或桥梁的其它构件接触。 完成加载试验的模型，按以下方法计分：

先按荷重比（F=Q/W）计算出各模型的相对分，其中Q代表模型所承受的最大移动荷载（N），W代表模型自重（N）；再将F值为最大（记Fmax）的模型定为满分（60分），其余模型的分数按（满分×F/Fmax）计算。

30

一等奖作品

桥梁结构设计理论方案

作品名称 XXXXXXXXXX

参赛学校 大连民族学院

参赛队员 XXXXXXXXXX

专业名称 XXXXXXXXXX

指导教师 XXXXXXXXXX

大连市第四届大学生结构设计竞赛组委会

二○○八年

31

摘要：

从竞赛的要求与实际情况相协调的角度出发，综合考虑材料的性能特点，设计制作出一座轻巧，实用的双跨桥梁，名为梦忆。

梦忆桥是一座突出结构轻巧，形体简洁，结构稳定等特点的桥梁。是一座双跨双车道桥梁，整体稳定，实用性强。

一、桥名：

梦忆

二、模型规格：

长 2030 mm， 宽 200 mm， 高 50 mm

三、设计理念：

质轻、简约、强度、刚度、稳定性，以最轻的质量承受最大的荷载

四、设计过程：

1 材料性能分析

白卡纸：采用长方体杆件，其抗弯性良好，有较好的抗压性能，但受压杆长 度不宜过大。采用长方形纸带，其抗拉性好，起一定的支撑作用。

乳白胶：黏结力强，满足结构受力特点，但湿度大，不易干燥，干燥后硬度大，容易产生脆性破坏。 2 受力构件截面尺寸设计

结构主梁受力为垂直方向，因此将截面设计成矩形杆和长纸带组合，利用杆抗弯性能强，纸带抗拉性能强的特点。经反复实验受弯主梁杆截面尺寸定为14mm×10mm ，截面高宽比h/b为1.4，近似接近最佳受力截面比√2:1 ,两个杆之间纸带宽为50mm。下层结构各杆截面尺寸为10mm×10mm,横向固定杆截面尺寸为6mm×6mm。

五、制作过程

1 制作中遇到的难题：

由于结构为双跨，单跨跨度大，且模型为双车道。加载过程中两个小车不同时加载，主梁受力不够均匀，结构稳定性较差，导致左右车道产生高差，扭曲破

32

坏。

2 研究讨论解决问题：

增加横向连接，加强左右两车道的链接，使整体稳定性提高，使荷载产生的力均匀分布到各个主梁上。

方案书

最初方案：

桥梁是由两根杆和中间的纸片组成

33

最终方案：

1/8 处荷载弯矩图

1/4处荷载弯矩图

34

1/2 处荷载弯矩图

计算书

单元 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8

荷载 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 qq：0.5 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一

位置 I[1] I[11] I[2] I[3] I[4] I[5] I[6] I[7] I[8] I[9] I[10] I[12] I[13] I[14] I[15] I[16] I[17] I[18] I[19] I[20] I[1] I[11] I[2] I[3] I[4] I[5] I[6] I[7]

轴向 (N) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 剪力-y (N) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

35

弯矩-y 弯矩-z 剪力-z 扭矩

(N) (N*mm) (N*mm) (N*mm) -19.91 0 0 0 -30.09 0 -5181.46 0 -19.91 0 2024.35 0 -19.91 0 4048.71 0 -19.91 0 6073.06 0 -19.91 0 8097.42 0 30.09 0 10121.77 0 30.09 0 7061.13 0 30.09 0 4000.48 0 30.09 0 939.83 0 30.09 0 -2120.81 0 -30.09 0 -2120.81 0 -30.09 0 939.83 0 -30.09 0 4000.48 0 -30.09 0 7061.13 0 19.91 0 10121.77 0 19.91 0 8097.42 0 19.91 0 6073.06 0 19.91 0 4048.71 0 19.91 0 2024.35 0 -19.91 0 0 0 -30.09 0 -5181.46 0 -19.91 0 2024.35 0 -19.91 0 4048.71 0 -19.91 0 6073.06 0 -19.91 0 8097.42 0 30.09 0 10121.77 0 30.09 0 7061.13 0

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 四分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 八分之一 结论分析：

I[8] I[9] I[10] I[12] I[13] I[14] I[15] I[16] I[17] I[18] I[19] I[20] I[1] I[11] I[2] I[3] I[4] I[5] I[6] I[7] I[8] I[9] I[10] I[12] I[13] I[14] I[15] I[16] I[17] I[18] I[19] I[20] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30.09 30.09 30.09 -30.09 -30.09 -30.09 -30.09 19.91 19.91 19.91 19.91 19.91 -36.74 -43.26 -36.74 13.26 13.26 13.26 13.26 13.26 13.26 13.26 13.26 -43.26 6.74 6.74 6.74 6.74 6.74 6.74 6.74 6.74 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4000.48 939.83 -2120.81 -2120.81 939.83 4000.48 7061.13 10121.77 8097.42 6073.06 4048.71 2024.35 0 -3316.13 3736.39 7472.77 6124.16 4775.55 3426.93 2078.32 729.71 -618.91 -1967.52 1083.48 83.09 4797.71 4112.32 3426.93 2741.55 2056.16 1370.77 685.39 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

通过以上的受力分析和数据计算，可得出桥沿长度方向的1/4处和1/8处是受弯矩和剪力作用的薄弱点，所以我们在模型下加了纸片，以提高模型的承载能力，荷载通过桥面传到纸片上再传到两端支座处。这样，荷载移到两个1/4点和1/8点的时候力得到了有效的传递，从而减少了主梁薄弱点的集中受力，增强模型的承载能力及抗压强度，以达到通过20kg小车的荷载。

36