结构设计竞赛与钢结构原理与设计课程教学的结合与实践

    朱嘉 李红 李燕

    

    

    

    摘? 要 基于钢结构原理知识对大学生结构设计竞赛赛题进行分析，同时结合钢结构设计思想，制作两个空间结构模型做对比分析。通过“钢结构原理与设计”课程教学与竞赛实践的结合，加深了学生对课程内容的理解，同时提高了人才培养质量。

    关键词 结构设计竞赛;钢结构原理与设计;空间结构;竞赛赛题

    中图分类号：G642.3? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）14-0085-03

    Combination and Practice of Structural Design Competition and

    Steel Structure Principle and Design//ZHU Jia， LI Hong， LI Yan

    Abstract Analyzes the structural design competition task based on the steel structure principle. And makes two spatial structure models for comparative analysis combined with the steel structure design idea. Through the combination of Steel Structure Principle and De-sign and competition practice. It not only deepens the students under-

    standing of the course content， but also improves the quality of per-sonnel training.

    Key words structural design competition; principle and design of steel structure; space structure; competition task

    1 前言

    钢结构原理与设计[1]是土木工程专业本科重要的专业课之一。其中，原理部分熟悉钢结构中的主要受力构件（轴压、受弯、压弯构件），从强度、稳定角度了解其受力性能，同时要掌握常见的螺栓、焊接连接形式;设计部分是在原理基础上对构件的设计整合，熟悉常见的门式刚架、钢框架、钢桁架的受力形式。

    大学生结构设计竞赛[2]是教育部认可的大学生A类学科竞赛，由教育部和中国土木工程学会联合主办，国内各高校轮流承办。竞赛以竹条、胶水、棉线为主要原材料[3]，在规定的时间内做出符合要求的结构体系，能够承载赛题要求的外荷载，同样承载能力下结构体系质量最轻的作品获胜。结构模型的设计与制作过程，与实际的钢结构体系从受力形式、破坏形式等角度均有较多相似之处。把结构设计竞赛与钢结构原理与设计课程教学相结合，加强了学生对钢结构原理知识的理解，贯彻了对钢结构设计思想的实践。

    2 结构设计竞赛赛题分析

    赛题要求? 以第十二届全国大学生结构设计竞赛赛题“大跨度空间结构模型设计与制作”为例[2]，竞赛要求参赛选手在八小时内完成一个大跨度空间屋盖结构模型的设计与制作。模型构件允许的布置范围为两个半球面之间的空间，如图1所示。外半球体半径为550 mm，内半球体半径为375 mm，模型跨度及高度范围要求在750～1100 mm范围内。

    模型加载点投影如图1红点所示。模型固定于加载装置上，通过挂钩在指定八个点上引垂直钢丝加40 kg+24 kg砝码的方式模拟竖向荷载作为一、二级加载;指定节点上引出钢丝绳，通过转动装置施加20 kg的水平荷载作为三级加载。

    比赛模型制作材料为竹片、竹条。竹片长宽厚规格为1250 mm*430 mm*0.5 mm。竹条类型分三种，相关尺寸规格为900 mm*60 mm*1 mm（2 mm/3 mm）。竹材与钢材均属于弹性材料，相关力学指标如表1所示。

    赛题分析? 该赛题以大跨度空间钢结构为模拟对象，其中一、二级加载为竖向荷载模拟钢结构工程中的恒荷载，三级加载为水平荷载模拟钢结构工程中的风荷载或地震力。选题具有较大的现实意义和工程针对性。

    3 钢结构原理在比赛中的应用

    构件类型的应用? 钢结构原理中把受力构件按照不同受力形式分为压、拉、弯、压弯四大类构件，这些受力构件在结构竞赛模型设计中均有广泛运用。学生理解了这些构件的基本受力公式，在结构选型设计中更能了解每根杆件的受力性能及在體系中的作用。比如对于受压杆件，通过设置侧向支撑的方式减小计算长度，提高受压性能，而不是无限制地放大截面。

    截面选型? 常见钢结构截面分为工字形、箱形、L形等形式。结构竞赛的主要用材为竹条，结合钢结构原理，把这些竹条也同样做成工字形、箱形、L形截面。通过分析不同截面形式的竹材的截面特性，对于主受力构件采用双轴对称截面，次要构件采用单轴对称截面。

    加劲肋的应用? 钢结构、竹材结构均属于薄壁结构。为了控制板件的局部稳定性，结构设计竞赛也引入了钢结构中的加劲肋概念。把2 mm*2 mm的竹条切成小构件，作为加劲肋镶嵌到主受力杆件中，充分发挥主受力构件材料性能，尽量避免稳定破坏发生在材料破坏前。

    4 钢结构设计在比赛中的应用

    结构设计选型? 选型Ⅰ（图2）以三根1 mm*6 mm竹片组成钢结构中常见的U型截面，作为竖向受力构件截面形式，截面腹板内嵌竹片作为加劲肋。设四个竖向受力构件，八根2 mm*2 mm的竹条模拟钢索作为辅助受拉构件。顶部根据受力点设200 mm*200 mm正方形托盘。正方形托盘与竖向构件通过三角形桁架传力。受压构件仅通过四个支点与平台连接，类似于空间结构中的柱脚铰接。

    选型Ⅱ（图3）以三根1 mm*6 mm竹片组成钢结构中常见U型截面，作为竖向受力构件截面形式;参照格构式钢构件原理，设两个分肢，两两通过2 mm*2 mm杆件做成格构式构件。顶部根据受力点设200 mm*200 mm正方形托盘，托盘内设米字形支撑。正方向托盘与竖向构件通过八根H形截面杆件，组成三角形空间结构。水平构件与竖向构件汇交到一个点，竖向构件与平台板通过八个支点连接，类似于空间结构中的柱脚刚接。

    结合钢结构设计思想对两个方案进行对比分析，如表2所示。选型Ⅰ自重135 g，选型Ⅱ自重120 g，均顺利通过满载84 kg的加载。

    结构计算分析? 采用钢结构设计中常用的分析软件midas Gen对结构进行数值模拟。杆件采用梁单元，外荷载以节点荷载形式输入，根据竹材的弹性模量和密度按实输入材料特性，支座连接按固结考虑。从轴力分析结果（图4、图5）看出，在外荷载作用下，结构体系受力均匀，传力明确。

    5 结语

    1）结构竞赛体系选型与钢结构原理与设计知识有较大的关联性，加强了学生对钢结构原理知识的理解，贯彻了钢结构设计思想在比赛中的应用。

    2）结合钢结构设计分析软件对结构体系进行力学分析，让学生在模型制作之前了解结构体系的受力分布，增强对结构受力的认知。

    3）加强专业课教学与学科竞赛的联系，真正做到寓赛于教，加强学生对课程学习的感性认知，提高人才培养的质量。■

    参考文献

    [1]董军.钢结构原理与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

    [2]关于举办“富力杯”第十二届全国大学生结构设计竞赛的通知[EB/OL].[2018-08-21].http：//www.ccea.zju.edu.cn/structure/2018/0820/c14656a846483/page.htm.

    [3]李俊华.林云 结构模型设计制作与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.