黃祖慰-大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽指導(dǎo)講義2

1、29第二講 大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽介紹講授人：黃祖慰一、全國(guó)賽概況第一屆：高層建筑結(jié)構(gòu)模型 第一屆全國(guó)賽賽題賽點(diǎn)為制作一座一米高的房屋結(jié)構(gòu)模型，在模型底部裝鐵砂以模擬基礎(chǔ)效果。模型加載方式為單側(cè)水平靜力荷載與動(dòng)恒載。右圖為西南交通大學(xué)代表隊(duì)作品，整個(gè)結(jié)構(gòu)以桁架構(gòu)造布置。由于這次比賽加載單向性的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造上也應(yīng)該采取單向剛度大的設(shè)計(jì)。下面展示獲得一等獎(jiǎng)的作品：浙江大學(xué)作品：東南大學(xué)作品：特點(diǎn)為桁架+蒙皮結(jié)構(gòu)上海交大作品：其在設(shè)計(jì)上完全按照賽題加載規(guī)則，設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有按照具體樓房的設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)，而是只考慮加載方向上的剛度。反面教材：結(jié)構(gòu)競(jìng)賽不等于結(jié)構(gòu)造型競(jìng)賽，把握賽題要點(diǎn)是硬道理，過(guò)多添加不必要的構(gòu)

2、造或者裝飾只會(huì)使結(jié)構(gòu)重量增加。第二屆：兩跨雙車道橋梁 第二屆國(guó)賽賽點(diǎn)是兩跨雙車道橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)、制作和移動(dòng)荷載作用的加載試驗(yàn)，與多次舉辦的校內(nèi)賽賽題相似。下圖為加載裝置示意圖。下面介紹第二屆國(guó)賽的優(yōu)秀作品：浙江師范大學(xué)（第一名）269g：由其結(jié)構(gòu)構(gòu)造可將其想象為一單索面上承式懸索與空間桁架的組合結(jié)構(gòu)，其橫梁縱梁均采用三角截面箱型梁，符合其橋面系的受力機(jī)理斜桿采用卷制的空心圓管節(jié)點(diǎn)的處理非常獨(dú)到。上海交通大學(xué)（第二名）279g：模型充分利用了紙張的抗拉能力，采用蒙皮作用防止主梁豎向構(gòu)件受壓失穩(wěn)，另外再通過(guò)橫向聯(lián)結(jié)系保證兩片主梁穩(wěn)定。反面教材：華僑大學(xué)（242g） ：橋梁模型結(jié)構(gòu)輕盈，但是細(xì)節(jié)處

3、理不當(dāng)，橫向聯(lián)結(jié)系失效導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)破壞。某某大學(xué)作品：對(duì)賽題恒載理解不充分，設(shè)計(jì)上過(guò)于保守。其在設(shè)計(jì)上也存在缺陷，對(duì)力學(xué)概念理解模糊，模型重量大。不關(guān)注細(xì)節(jié)，橋梁結(jié)構(gòu)上剛度，但是橋面布置不合理，導(dǎo)致模型加載失敗。第三屆：定向木結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電塔 第三屆國(guó)賽的賽點(diǎn)是制作一個(gè)支架與風(fēng)力發(fā)電葉片，在風(fēng)荷載下達(dá)到模型的保證模型不損壞的同時(shí)盡量增大發(fā)電功率。 下面為模型與加載裝置的示意圖：下面介紹優(yōu)秀作品：西南交通大學(xué)（第一名）支架普通，沒(méi)有經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化，模型重量大。但是葉片巨大，受風(fēng)面積大，產(chǎn)生的電量大，由此提高了整體成績(jī)。第三屆作品：湖南大學(xué)（第二名） 為了防止葉片在承受風(fēng)力時(shí)變形撞擊到結(jié)構(gòu)本身，其結(jié)構(gòu)

4、采用前傾模式。另外，考慮到鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)風(fēng)力場(chǎng)的特征，葉片從內(nèi)向外不斷增大的模型成績(jī)較好。浙江大學(xué)（第三名）：支架結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，葉片從內(nèi)向外不斷增大第四屆：體育場(chǎng)看臺(tái)上部懸挑屋蓋結(jié)構(gòu) 第四屆國(guó)賽的賽點(diǎn)是制作一個(gè)能夠安裝在預(yù)制看臺(tái)上的挑棚結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)模型需要承受豎向靜力荷載與風(fēng)荷載的考驗(yàn)。下面介紹獲獎(jiǎng)優(yōu)秀作品：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（特等獎(jiǎng)）：充分利用主辦方優(yōu)勢(shì)，合理利用賽題規(guī)則，造型具備一定的美觀性，做工精細(xì)。東南大學(xué)（一等獎(jiǎng)）：桁架結(jié)構(gòu)有效抗彎高度高，紙張面積小，構(gòu)件全部采用薄壁箱型截面構(gòu)件。模型重量輕，剛度大。廈門理工大學(xué)（一等獎(jiǎng)）：巧妙利用構(gòu)造進(jìn)行卸風(fēng)上海交通大學(xué)（一等獎(jiǎng)）：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，受力機(jī)理明確，主

5、要構(gòu)件采用箱型截面構(gòu)造，做工精致：西南交通大學(xué)（三等獎(jiǎng)）：結(jié)構(gòu)過(guò)為笨重，剛度小。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)沒(méi)有提起相當(dāng)重視。第五屆：帶屋頂水箱的竹質(zhì)多層房屋結(jié)構(gòu) 第五屆國(guó)賽賽點(diǎn)在于制作一個(gè)四層結(jié)構(gòu)模型，在承受豎向靜力荷載的前提下承受什邡八角波震動(dòng)。豎向荷載最大為34kg。下面介紹優(yōu)秀作品：西南交通大學(xué)（特等獎(jiǎng)）：以78.6g的模型自重承受住了滿載，其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)輕巧，采用了變截面三角形柱，剛?cè)徂D(zhuǎn)換層，一體化的加載鐵塊，高效的節(jié)點(diǎn)柱腳處理。上海交通大學(xué)（一等獎(jiǎng)）：其構(gòu)造上特點(diǎn)為利用一定數(shù)量的拉條對(duì)較為柔的框架進(jìn)行穩(wěn)定處理，避免模型在加載時(shí)失穩(wěn)破壞。武漢大學(xué)（一等獎(jiǎng)）：一二層無(wú)“圈梁”，由兩交叉梁代替。華僑大學(xué)（一

6、等獎(jiǎng)）：采用桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)模型剛度較大，以剛克剛。北京交通大學(xué)（一等獎(jiǎng)）：采用吊籃作為阻尼器進(jìn)行抗震，模型截面小，結(jié)構(gòu)重量小。由于吊籃可動(dòng)范圍較小，減震效果不太明顯，吊籃與結(jié)構(gòu)模型撞擊，容易引起結(jié)構(gòu)破壞。第六屆：吊腳樓 第六屆國(guó)賽賽點(diǎn)為在斜坡上制作一結(jié)構(gòu)模型在承受豎向荷載的同時(shí)承受水平?jīng)_擊荷載。模型的關(guān)鍵點(diǎn)在與保證第二層的面剛度，使其承受沖擊荷載時(shí)能夠把加速度響應(yīng)充分傳到傳感器上。二、我的結(jié)構(gòu)競(jìng)賽經(jīng)歷校內(nèi)賽的報(bào)名已經(jīng)開(kāi)始了，但這次我并沒(méi)有參加，賽事似乎也和我沒(méi)有任何關(guān)系，但我還是會(huì)習(xí)慣性的去仔細(xì)地閱讀賽題，認(rèn)真地分析材料特性，甚至已經(jīng)得出了具體的、多樣化的設(shè)計(jì)方案和制作方法。沒(méi)有了你，我真的感

7、覺(jué)不習(xí)慣了！Devotion，是我對(duì)你的最佳表白。也許很少有人會(huì)理解這種情感，但我卻不同，那是我的夢(mèng)想，我曾為之投入并奮斗了整整三個(gè)春秋，那更是我揮灑青春活力的舞臺(tái)！圖2 本圖為大二上學(xué)期設(shè)計(jì)的跨越結(jié)構(gòu)，有效抗彎高度過(guò)小導(dǎo)致承載能力不足。圖1 本圖為大一下學(xué)期設(shè)計(jì)制作的斜拉橋，加載時(shí)由于以受壓為主導(dǎo)的橋面失穩(wěn)，模型在遠(yuǎn)離斜拉塔的梁端發(fā)生壓彎破壞。大一上學(xué)期的時(shí)候，我在一張巨型的宣傳海報(bào)上面邂逅了深深地把我吸引住的你。從那個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，滿懷憧憬的我就把參加國(guó)賽的目標(biāo)深深地刻在心里。然而，為理想邁出的第一步并不輕松，也不順利。我選擇了受力較為復(fù)雜的斜拉橋。由于在設(shè)計(jì)上考慮欠缺，橋梁模型在比賽中發(fā)生局

8、部失穩(wěn)并導(dǎo)致加載失敗。讓我在第一次的嘗試中獲得了一個(gè)滿帶遺憾的優(yōu)秀獎(jiǎng)。感謝這個(gè)遺憾，讓我明白了“失敗乃成功之母”這句老話。賽后，我并沒(méi)有頹廢，而是認(rèn)真地分析了失敗的原因。由于當(dāng)時(shí)我還沒(méi)有開(kāi)始學(xué)習(xí)專業(yè)的力學(xué)知識(shí)，對(duì)力學(xué)概念的認(rèn)識(shí)還維持在高中物理的水平，失敗原因也只能是半理性半感性分析。但就是因?yàn)檫@一次的不離不棄，我慢慢地培養(yǎng)起一種對(duì)結(jié)構(gòu)感性加理性的批判精神。在后來(lái)的學(xué)習(xí)生活中，我每當(dāng)看到喜歡的各種結(jié)構(gòu)建筑，便會(huì)著手去分析，并不僅僅是分析結(jié)構(gòu)的閃光點(diǎn)，而更著重于摸索該結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)。與此同時(shí)，為了提高我的專業(yè)素養(yǎng)，我?guī)缀醢丫W(wǎng)上Discovery和偉大工程里面的相關(guān)工程案例看完了。隨著時(shí)間的累積，我就學(xué)

9、到了很多課外知識(shí)并積累了大量經(jīng)驗(yàn)，在模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，就少走了很多彎路。大二上學(xué)期，我參加了一個(gè)由西南交大力學(xué)協(xié)會(huì)舉辦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我開(kāi)始注重于結(jié)構(gòu)美觀。對(duì)于結(jié)構(gòu)本身，設(shè)計(jì)的初衷是把跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)拱。但是由于對(duì)賽題的誤讀，我將模型的截面高度設(shè)計(jì)得很小，由于矢跨比過(guò)小，跨越結(jié)構(gòu)并沒(méi)能實(shí)現(xiàn)拱作用，而主要受彎。由于其有效抗彎截面過(guò)小，未能拼過(guò)那些“高高的梁”，又十分遺憾地拿了一個(gè)2等獎(jiǎng)。不過(guò)，進(jìn)步了就行！按照模型的高跨比來(lái)看，我這次做的是一個(gè)大跨度結(jié)構(gòu)，雖敗猶榮。 大二下學(xué)期一開(kāi)始，我便把眼光瞄向了校內(nèi)賽，并且在離賽事的開(kāi)始圖3 本圖為大二下學(xué)期設(shè)計(jì)制造的兩跨連續(xù)梁橋，橋梁的承

10、載能力大，可是由于天氣原因影響材料變形導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的變形，導(dǎo)致橋面不平整，未能參加加載。還有很長(zhǎng)的一段時(shí)間的時(shí)候就把設(shè)計(jì)方案想好了，算是胸有成竹了，畢竟這是對(duì)前一年失敗經(jīng)驗(yàn)不斷反思的結(jié)果。在橋梁承重組的設(shè)計(jì)中，我首次使用了桁架外加預(yù)應(yīng)力措施，通過(guò)預(yù)應(yīng)力把兩個(gè)單跨轉(zhuǎn)變成連續(xù)梁，這對(duì)于我這個(gè)沒(méi)有學(xué)過(guò)預(yù)應(yīng)力的同學(xué)，又是一次挑戰(zhàn)?？上а剑瑳](méi)有把握好天時(shí)地利，本來(lái)模型還是好好的，到了比賽那天，空氣濕度增加，導(dǎo)致這個(gè)可憐的木質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，木頭膨脹了，而“預(yù)應(yīng)力筋”卻長(zhǎng)度沒(méi)變，整體看來(lái)就像是預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)度，上拱度超出了橋面平整的要求，在加載前就被評(píng)委老師宣告直接淘汰，我苦苦哀求評(píng)委老師給我一次加載的機(jī)會(huì)，

11、可是后面突然有個(gè)工作人員說(shuō)時(shí)間緊，不允許加載當(dāng)時(shí)的我欲哭無(wú)淚，無(wú)限悲傷。后來(lái)回頭想想，當(dāng)時(shí)那個(gè)自暴自棄的我，實(shí)在太可愛(ài)了。而現(xiàn)在看來(lái)這個(gè)教訓(xùn)對(duì)我來(lái)說(shuō)太珍貴了，我從中總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)：設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，不能單從結(jié)構(gòu)體系的荷載受力情況來(lái)設(shè)計(jì)，還要考慮溫度濕度的影響，不僅要保證結(jié)構(gòu)的安全性也要保證結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性。話說(shuō)回來(lái)，當(dāng)時(shí)初賽失敗的時(shí)候，隊(duì)友們也十分懊惱，畢竟辛辛苦苦做了那么久的模型，沒(méi)有加載就被判死刑了。不過(guò)還好，我們還有一個(gè)殺手锏，那就是造型組的橋梁模型。說(shuō)到這里，我就有點(diǎn)小興奮了，先用幾句話簡(jiǎn)單地介紹一下這個(gè)“尤物”。那座橋名字叫做“橋奪天弓”，它是一座組合結(jié)構(gòu)橋梁，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)圖4 本圖

12、為大二下學(xué)期設(shè)計(jì)和制作的三跨造型人行橋，此橋在比賽中表現(xiàn)良好，成功地完成加載。上包括了拱、懸索、斜拉、斜塔、預(yù)應(yīng)力措施、箱型構(gòu)造、桁架，可謂是在當(dāng)時(shí)我把我對(duì)橋梁的理解全部表達(dá)在它上面。果然不負(fù)所望，給我?guī)Я说谝粋€(gè)一等獎(jiǎng)和最佳工藝獎(jiǎng)。它給我?guī)?lái)最大的意義是開(kāi)啟了我的“箱型”時(shí)代。那一屆比賽的時(shí)候我也有件丑事，就是我用一個(gè)破爛不堪高層模型換回了50塊押金，現(xiàn)在想起來(lái)覺(jué)得太丟人了。圖 6 本圖為大三上學(xué)期參加交大力學(xué)協(xié)會(huì)舉辦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽制作的蒙皮+桁架結(jié)構(gòu)。通過(guò)合理地布置空間桁架桿件，結(jié)構(gòu)的承載能力有很好的提高。圖5 本圖為大三上學(xué)期參加第四屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽準(zhǔn)備過(guò)程中與參賽作品。失敗主要在

13、于結(jié)構(gòu)體系沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)太保守。大二下學(xué)期的暑假到大三上學(xué)期，我借助我在校內(nèi)賽中獲得的一等獎(jiǎng)，報(bào)名了國(guó)賽的選拔。終于可以近距離的接觸到我的夢(mèng)想。從一開(kāi)始，我就非常認(rèn)真，做每一個(gè)模型都煞費(fèi)苦心。由于態(tài)度認(rèn)真，我設(shè)計(jì)制作出來(lái)的模型成績(jī)總是領(lǐng)先，以致造成了一種奇怪的現(xiàn)象：在校內(nèi)選拔賽中，我總是能用最惡劣的結(jié)構(gòu)體系戰(zhàn)勝桁架?？上У搅藝?guó)賽現(xiàn)場(chǎng)才發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)參賽隊(duì)伍做的都是桁架。由此，我在大學(xué)中最大的失意悲劇性的三等獎(jiǎng)就來(lái)了?？偨Y(jié)了一下失敗的教訓(xùn)，我當(dāng)時(shí)太過(guò)固執(zhí)，太過(guò)于堅(jiān)持自己的作品，一路上虛榮心太重。真的非常對(duì)不起我當(dāng)時(shí)的隊(duì)友“代老板”和“民哥”了，在這里深表歉意。要做好結(jié)構(gòu)，先學(xué)做人這個(gè)理念從此就銘

14、刻在心中，從此，我變得虛心，不斷對(duì)自己的缺點(diǎn)進(jìn)行批判，同時(shí)學(xué)習(xí)別人的優(yōu)點(diǎn)。這點(diǎn)，對(duì)我后面的發(fā)展起到了非常巨大的作用。在第一次參加國(guó)賽回來(lái)之后，我緊接著報(bào)名參加了力學(xué)學(xué)會(huì)舉辦的結(jié)構(gòu)競(jìng)賽，這次，我算是把國(guó)賽中總結(jié)的失敗經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)全部用上了，可以說(shuō)是利用我之前非常厭惡的現(xiàn)在卻深愛(ài)著的桁架結(jié)構(gòu)以至少30分的分差完勝了所有參賽隊(duì)伍。再次得了一個(gè)一等獎(jiǎng)，我卻不再驕傲，深知人外有人，山外有山，若想登峰絕頂，就得虛心好學(xué)，驕傲只會(huì)降低人的智慧。大三下學(xué)期，我在大學(xué)中最忙的時(shí)間段到了。和大多數(shù)同學(xué)一樣，我在為自己在本科畢業(yè)后的人生軌跡進(jìn)行最后的規(guī)劃：究竟是留在國(guó)內(nèi)學(xué)習(xí)，還是出國(guó)深造，還是工作我開(kāi)始成為一個(gè)大忙人，

15、整天忙著8門專業(yè)課的學(xué)習(xí)和準(zhǔn)備GRE考試，當(dāng)然，還有準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，另外還有各種土木科技月的瑣事，在那幾個(gè)月里我每天的睡眠時(shí)間都不足5個(gè)小時(shí)。雖然苦，但卻是一段值得回憶的時(shí)光。本來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽不是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，應(yīng)該量力而行，我還是義無(wú)返顧地把它放在了第一位。不負(fù)我所望，在廣告牌支架的比賽里我創(chuàng)造了一個(gè)讓大家記憶深刻的模型，重量?jī)H26.6克。感謝這次比賽的成功，讓我堅(jiān)定了我要走的路繼續(xù)完成我的國(guó)賽夢(mèng)想。圖 7 大三下學(xué)期參加校內(nèi)賽制作的廣告牌支架模型，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)受力模式的特點(diǎn)及大膽的設(shè)計(jì)，模型的自重非常小，但是絲毫不影響結(jié)構(gòu)效能。圖 8 本圖為第五屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品設(shè)計(jì)圖、模型加載示意

16、圖與結(jié)構(gòu)模型圖。78.6克的結(jié)構(gòu)模型承受住了34kg的靜荷載并且在什邡八角波（即汶川地震）的震動(dòng)下安然無(wú)恙。 又是一個(gè)暑假，又是一次國(guó)賽選拔賽。雖然在當(dāng)時(shí)，經(jīng)過(guò)了幾年的努力，我成為一個(gè)設(shè)計(jì)制作結(jié)構(gòu)模型方面的“高手”，但是在選拔賽中我變得沉著穩(wěn)定，時(shí)刻保持清醒的頭腦，把自己的位置永遠(yuǎn)放到最低，因?yàn)槲疑钪?，只有把自己位置放低，才能學(xué)到更多，才能讓自己進(jìn)步得越快?？偨Y(jié)了上次國(guó)賽的模型重量大的失敗經(jīng)驗(yàn)，這次走的是輕型化戰(zhàn)線，到最后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)決定是正確的。在整個(gè)過(guò)程中，為了告別上次國(guó)賽封閉式做模型的心理限制，我對(duì)我的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手們毫不吝嗇，和他們共同探討模型的缺陷與不足，一起不斷地改善結(jié)構(gòu)模型，很自然的，我

17、們的成績(jī)的不斷地高。在這里，我要感謝其他兩個(gè)給力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，不是我們的共同進(jìn)步，是換不來(lái)國(guó)賽輝煌的戰(zhàn)績(jī)。國(guó)賽作品主要有四個(gè)關(guān)鍵制勝關(guān)鍵點(diǎn)：一、成功地運(yùn)用了剛?cè)徂D(zhuǎn)換構(gòu)造；二、創(chuàng)造性地使用了質(zhì)量超高的截面形狀為三角形的連續(xù)變截面柱；三、總結(jié)了上次國(guó)賽所用的懸挑虛梁；四、模型整體截面小。這四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，都為模型的重量減輕和可靠性提高做出了重大貢獻(xiàn)。說(shuō)完了這些大現(xiàn)象，我又要回到我的私人空間，為了準(zhǔn)備這次國(guó)賽，我?guī)缀醴瞰I(xiàn)了我的所有時(shí)間，為了不影響室友休息，我搬到校外。細(xì)細(xì)數(shù)來(lái)，我一共做了23個(gè)模型，很多事情都成了家常便飯：經(jīng)常性熬夜；手上經(jīng)常性有一層厚厚的502膠，掰也掰不掉；手也不知道被小刀割破了多少次，甚至有一次為了不影響模型的制作，我直接把傷口捏緊，滴了一滴502止血。圖9 本圖為本人制作模型的工作空間，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)模型在構(gòu)造上變得很簡(jiǎn)單，上圖展示了制造國(guó)賽模型的4根柱子20片梁與24根拉條所需的所有材料。此外，本人還把第四屆國(guó)賽三等獎(jiǎng)的牌子立在桌子上激勵(lì)自己。在一個(gè)最瘋狂的星期，我連續(xù)做了4個(gè)模型，其中有一天深夜，可能由于太累精神不能集中，有一組桿件系粘接了8次都沒(méi)有粘接成功，大學(xué)里面沒(méi)有掉過(guò)一滴淚的我哭了，直接把它踩碎了。說(shuō)到這里，我得感謝一下老虎，我的好哥們，由于也住在外面，在我最困難的時(shí)候總能鼓勵(lì)（哎喲，寫到這兒我都想掉眼淚了，得緩一