黄祖慰-大学生结构设计竞赛指导讲义5

1 第五讲 校内赛赛题分析 讲授人：黄祖慰 2013年土木科技月赛题初稿已经出炉，比往年来得都要早，报名工作也在展开当中。虽然赛题出来的只是初稿，但是有必要带领大家研读赛题，调动起大家参赛积极性和提高大家的自信心。下面，根据茅院比赛的报名情况，结合本人在赛题上的批注对赛题进行分轻重的解析。一家之言，仅供参考。 一、桥梁承重组 桥梁模型：三跨连续梁 对于桥型，大家需要注意，这里所说的究竟是单纯桥面连续还是桥梁工程里面所说的真正的连续梁，提了这么多年都没有说明清楚。仅仅是桥面连续的桥梁模型都能蒙混过关。这里注意大家要把模型设计成真正意义上的连续梁桥。 模型制作材料：PVC塑料板（1.2mm厚）、铅发丝线和AB胶三种材料 对于PVC塑料板，主办方没有给出具体的材料性能参数，做法欠专业。网上查询的材料力学参数差异较大，在这里本人不宜自作主张，有需要的同学可以去询问主办方具体的材料的参数。在这里必须注意材料存在的厚度，制作的时候要注意，不能忽略。另外注意，选手应当考虑：是否可以将桥面稍微磨薄一些，以减轻模型重量？在这里应当注意PVC板由于制作工艺，有顺纹和横纹之分，肉眼看不出来，裁剪的时候就可以轻易判断 对于铅发丝线，拉条全部建议采用铅发丝线，这样以达到减轻重量的目的。 对于AB胶，通过以往的使用经验，可以给参赛者做如下提醒：AB胶用起来相对麻烦，要注意不要用得太多，AB胶重量很大，重量大。假如某处用得太多，割去或者抹掉，当然，是以不损坏粘接面为前提。 赛题中说明，选手可以对材料进行适当加工。适当加工没有没说明加工方式，可以切割，又可以磨（比较费劲，拿锉刀方便些）。甚至可以把设计好并且画好线的塑料板拿到塑料加工场地进行加工。另外有兴趣的同学还可尝试加热变形的方法，在这里提醒千万注意安全。 模型重量的限制（不超过2000g） 模型过重没有参赛意义。比赛第一，参与第二。 2 模型的纵向长度的要求：赛题提出（1770,1790）的桥长范围。 在实际中加载装置特别，支座并不是平坦的，而是带有宽度大概1CM的凹槽（中央），可做特殊构件卡在加载装置上，以创造支座不提供的水平力，应当注意支座处的处理方法。一般很难在一张制图纸上把1比1的桥画全，可以采用分段画的方法。桥梁有三个跨度，可以分三段画。制作的时候也可以分段制作。 桥梁纵向宽度要求：（200,250） 为了减轻重量，取最小值。 桥面坡度问题： 建议将桥面设计成平整的，不附带坡度，方便小车通过。若必须设置坡度，可以适当地设置横坡纵坡，通过预应力实现，但是必须要控制好。通过预应力控制，湿度对材料无影响，但是气温会有影响，使用预应力时应当注意。预应力的设置方法已经在之前的讲课中具体介绍过。 桥面净空问题：保证不小于宽200×高150mm的桥面通行净空 此规定是针对于下承式桥梁，上承式桥梁没有这个问题。为了提高材料利用率，建议采用上承式桥梁结构。当然，不反对使用下承式。 集中荷载的吊点：位置在各跨跨中 集中荷载吊点，注意集中应力，用铅发细线做吊点时要多绕几圈。也可以用其他一些特殊构造设置来实现同样的效果。集中荷载吊点必须有可以提供相当刚度的梁构件，这点非常重要，假如集中吊点不存在梁式构造，将会无法承当其荷载。 挠度测试的测点：位置已经标明 挠度测点相对于集中荷载吊点受力极其小，可以不做特殊受力措施，依靠桥面刚度即可稳定，但是要注意捆绑方法。挠度测点线长大概20厘米左右，方便测量。 桥梁跨度问题： 赛题上说明可以做成不等跨、不对称的造型和结构方案。但是，这里建议，为了方便设计与试验，尽量做成等跨模型。 3 支座要求： 无需做桥墩，只会白白增加重量，无意义。 小车移动荷载：4kg 一般的桥都能承受这个荷载，毕竟很小。想要出线，关键得看模型的重量，越轻胜算越大。当然，这是在保证承载能力的前提下减轻重量。 挠度限制：不超过20mm 挠度简单的说就是变形量。桥梁必须具备足够的刚度。只要是静定结构，或者少次数的超静定，杆件截面布置合理，理论上不会出现问题。 桥面变形限制：模型桥面发生较大翘起或者凹陷(大于5mm) PVC板材刚度大，只要横向联结系布置妥当，就不会出现凹陷。这种情况大多是由于桥的横向连接不稳定而造成的。 加载试验失败判定：主要构件破坏 模型上所有构件基本上都属于基本构件包括桥面。但是有一次，有一座桥一片主梁的拉条断裂，但是老师却判定加载成功。不要冒这个险，尽量不要破坏。 动荷载问题： 从历届比赛试验得出：只要能够承受比最大静载大1kg左右的荷载，基本不会出现问题。 计算书问题：不能犯低级错误，特别是概念上的，例如刚度、强度。 对于评分准则的理解： 从公式中分析，挠度越小，K1分数越高，说明了需要注意模型的刚度，提高有效抗弯高度是减小挠度的有效方法。然而，提高抗弯刚度将会使模型重量增加，“荷重比”分数将会降低。所以，为了达到一个理想的分数，选手要注意权衡刚度和模型重量的关系。 4 二、高层电塔组 模型制作材料：复压竹皮 材料特性： 1、 复压竹皮在顺纹路方向存在连续纤维，利于受拉。但是顺纹容易被撕裂。 2、 规格为0.2mm的竹皮为单层竹皮，应注意竹皮上存在的竹节的薄弱点，应尽量避开；此种竹皮，一面为光面，一面为毛面，粘贴时，光面的粘接速度要快于毛面，但是最终粘接紧密性毛面为优。使用单层竹皮作为拉杆，存在风险，北京交通大学的模型是个典型例子。 3、 规格0.35mm竹皮由一张0.2mm和一张0.15mm竹皮复压而成，其两层粘结的紧密性大于0.5mm的竹皮。适合作为拉杆，比较安全。在选着此种规格竹皮作为拉杆时应当注意竹皮里面的竹节，在正反两面，竹皮上的节点不能重合，在做出拉杆后应当注意并进行筛选。 4、 规格为0.5mm的竹皮，两层粘结紧密程度较0.35mm规格竹皮低，选择材料时，应该选择竹皮粘结紧密性高的。紧密性不高的竹皮，在制作过程中容易造成杆件局部稳定性低，对模型质量有重大影响。 5、 尽量选着表面平整的竹皮，在搬运过程中尽量避免卷起竹皮，以防止横向纤维的破坏。 6、 湿度对材料的影响不容忽视，经过试验，发现复压竹皮在湿度上升时，顺纹的变形量比横纹大。由此，为了尽量减少湿度对整体模型的影响，切割竹皮时，应该尽可能平行于竹皮的顺纹纹路，若不，则模型在做好之后会出现扭曲现象，对模型性能的发挥影响很大。 7、 竹制底板的表面是覆盖了一层0.5mm规格的复压竹皮，由于复压竹皮两层之间的紧密度不高，容易分离，制作柱脚时应当特别注意对柱脚进行处理。 模型总体高度限定问题：1200mm±10mm高度内 按照以往介绍过的精确制图的方法尽量把精度控制在2mm之内。这样在加载时才能很好使模型符合设计者的受力思路。 结构荷载为题：水平荷载4.95kg 没有竖向荷载不符合真实的电塔受力，水平荷载大，扭矩不可小觑。设计模型时，可以不必把模型想象成电塔，想象成一个只在顶部受扭的结构。没有竖向5 荷载不代表柱子不受压，压力很大。 对于模型内力的理解：

思考：与薄壁梁分析理论有相似。在Z方向上上，柱子有受拉，有受压的。特点是模型整体扭矩很大，柱子的弯矩很大，最终导致4根柱子都受压。模型很高，线长度大，只要在静载时抵抗住扭转，震动对其有一定影响。构造上怎么使得压杆尽量短,换句话说就是线长度不能长。只要保证抗扭的基础上暂留一定的安全系数保证震动不夸就OK。 示意图问题： 示意图的截面呈变截面，截面闭合面积越小，其抗扭刚度会下降，成为危险截面。设计模型时应该不要把模型想象为一个真实的电线塔，而是一个具体的受力结构。为了提高抗扭能力，模型整体截面面积应当取较大值。 柱脚处理问题：采用热熔胶 柱脚处理要用新方法，可以一部分参考第四届国赛我校柱脚处理的方法。即使用第四届国赛柱脚处理方法+浇筑适量热熔胶。 模型尺寸问题： 赛题限制了模型地面尺寸与模型顶部尺寸，中间部分没有特别说明，可以设计时不要思维定视。 外挑对称问题： 对称是否可以理解为是中心对称，也可以是轴对称？假如做到中心对称，那么就可以有效地减小压杆的长度，稳定问题得到很好解决，模型重量也会降低。 振动台振幅：8mm 6 相对于模型高度来说，很小。根据实际经验得出，只要其承受住了比规定静荷载大的力，在动载方面应该不会出现问题。前提是柔性结构。 模型失效评判准则： (1) 在悬挑端施加拉力时：模型中的任一构件出现破坏 (2) 第一级加载时：模型中的任一构件出现破坏； (3) 第二级加载时：模型的主要构件——梁和柱中任一构件出现破坏； (4) 第三级加载时：模型整体或任一楼层发生坍塌或任一柱脚脱离底板； (5) 每一级加载时悬挑端拉力失效（即悬挑端发生破坏）。 上述失效准则中的“构件破坏”定义为构件出现明显开裂、断开或者节点脱开。 从准则中应该看到：当模型仅仅是发生大变形，而杆件并没有发生破坏，可够认定为模型没有发生破坏？此处存在严重漏洞。 悬挑部分的拉索问题： 注意集中应力的问题，拉的位置杆件最好不要空心，最好是放在节点上。 对振动台加速度传感器实测的台面震动加速度峰值的理解： 通过以往试验发现，振动台上放置一定数量的砝码会使测试加速度增大。可以看做是结构侧向刚度大也能起到这个效果。但是在本次的结构构造中，应该不会有太大影响（不存在竖向荷载，而且荷载都是以力偶的形式存在）。

三、铁道轨排组 轨道线形问题： 要注意其线型布置,题目存在缺陷,假如提供的轨道是圆曲线，曲线的超高，超高顺坡曲线加宽都没有什么意义，突变。真正的轨道曲线是存在过渡段的，而不是马上定型。对于铁道就是以半径为方向的距离，而且要考虑曲线加宽问题。注意理论计算并且做好定位工作。 钢轨与轨枕连接问题： 不一定通过小螺钉连接起来，假如用螺钉要算到模型自重里面，那就尽量避免采用螺钉，用其他方法也能固定铁轨。可以有效减轻模型重量，提高分数。

四、隧道工程组