2018年第十二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目

1、附件12018 年第十二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目（結(jié)設(shè)競函201803 號）承受多荷載工況的大跨度空間結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作1命題背景目前大跨度結(jié)構(gòu)的建造和所采用的技術(shù)已成為衡量一個國家建筑水平的重要標(biāo)志，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀。本次題目，要求學(xué)生針對靜載、隨機(jī)選位荷載及移動荷載等多種荷載工況下的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析、模型制作及試驗。此三種荷載工況分別對應(yīng)實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中的恒荷載、活荷載和變化方向的水平荷載(如風(fēng)荷載或地震荷載)，并根據(jù)模型試驗特點進(jìn)行了一定簡化。選題具有重要的現(xiàn)實意義和工程針對性。通過本次比賽，可考察學(xué)生的計算機(jī)建模能力、多荷載工況

2、組合下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計算能力、復(fù)雜空間節(jié)點設(shè)計安裝能力，檢驗大學(xué)生對土木工程結(jié)構(gòu)知識的綜合運(yùn)用能力。2賽題概述競賽賽題要求參賽隊設(shè)計并制作一個大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型，模型構(gòu)件允許的布置范圍為兩個半球面之間的空間，如圖1所示，內(nèi)半球體半徑為375mm，外半球體半徑為550mm。(a) 平面圖(b)剖面圖(c)3d圖圖1 模型區(qū)域示意圖(單位：mm)模型需在指定位置設(shè)置加載點，加載示意圖如圖2所示。模型放置于加載臺上，先在8個點上施加豎向荷載（加載點位置及編號規(guī)則詳見4.1及4.3），具體做法是：采用掛鉤從加載點上引垂直線，并通過轉(zhuǎn)向滑輪裝置將加載線引到加載臺兩側(cè)，采用在掛盤上放置砝碼的方式施加垂

3、直荷載。在8個點中的點1處施加變化方向的水平荷載，具體做法是：采用掛鉤從加載點上引水平線，通過可調(diào)節(jié)高度的轉(zhuǎn)向滑輪裝置將加載線引至加載臺一側(cè)，并在掛盤上放置砝碼用于施加水平荷載。施加水平荷載的裝置可繞通過點1的豎軸旋轉(zhuǎn)，用于施加變化方向的水平荷載。具體加載點位置及方式詳見后續(xù)模型加載要求。圖2 加載3d示意圖(注：本圖的模型僅為參考構(gòu)型，只要滿足題目要求的結(jié)構(gòu)均為可行模型)3. 模型方案及制作要求3.1. 理論方案要求(1) 理論方案指模型的設(shè)計說明書和計算書。計算書要求包含：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模及計算參數(shù)、多工況下的受荷分析、節(jié)點構(gòu)造、模型加工圖(含材料表)。文本封面要求注明作品名稱、參賽學(xué)校

4、、指導(dǎo)老師、參賽學(xué)生姓名、學(xué)號；正文按設(shè)計說明書、方案圖和計算書的順序編排。除封面外，其余頁面均不得出現(xiàn)任何有關(guān)參賽學(xué)校和個人的信息，否則理論方案為零分。(2) 理論方案力求簡明扼要，要求用A4紙打印紙質(zhì)版一式三份及光盤一式二份于規(guī)定時間內(nèi)交到競賽組委會，逾期作自動放棄處理。3.2 模型制作要求(1)各參賽隊要求在16個小時內(nèi)完成模型的制作。應(yīng)在此規(guī)定制作時間內(nèi)完成所有模型的膠水粘貼工作，將模型組裝為整體，此后不能對模型再進(jìn)行任何操作。后續(xù)的安裝階段僅允許采用螺釘將模型固定到底板上。(2)模型制作過程中，嚴(yán)禁將模型半成品部件置于地面。若因此導(dǎo)致模型損壞，責(zé)任自負(fù)，并不因此而延長制作時間。4.

5、加載與測量4.1 荷載施加方式概述競賽模型加載點見圖3，在半徑為150mm和半徑260mm的兩個圓上共設(shè)置8個加載點，加載點允許高度范圍見加載點剖面圖，可在此范圍內(nèi)布置加載點。比賽時將施加三級荷載，第一級荷載在所有8個點上施加豎直荷載；第二級荷載在R=150mm(以下簡稱內(nèi)圈)及R=260mm(以下簡稱外圈)這兩圈加載點中各抽簽選出2個加載點施加豎直荷載；第三級荷載在內(nèi)圈加載點中抽簽選出1個加載點施加水平荷載。具體加載方式詳見4.8。圖3 加載點位置示意圖比賽時選用2mm粗高強(qiáng)尼龍繩，綁成繩套，固定在加載點上，繩套只能捆綁在節(jié)點位置，尼龍繩僅做掛重用，不兼作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。每根尼龍繩長度不超過150

6、mm，捆綁方式自定，繩子在正常使用條件下能達(dá)到25kg拉力。每個加載點處選手需用紅筆標(biāo)識出以加載點為中心，左右各5mm、總共10mm的加載區(qū)域，如圖4所示，綁繩只能設(shè)置在此區(qū)域中。加載過程中，綁繩不得滑動出此區(qū)域。圖4 加載點卡槽示意圖4.2 模型安裝到承臺板1)安裝前先對模型進(jìn)行稱重(包括繩套)，記MA(精度0.1g)。2)參賽隊將模型安裝在承臺板上，承臺板為1200mm（長）×1200mm（寬）×15mm（高）的生態(tài)木板，中部開設(shè)了可通過加載鋼繩的孔洞。安裝時模型與承臺板之間采用自攻螺釘(1g/顆)連接，螺釘總質(zhì)量記為MB(單位：g)；整個模型結(jié)構(gòu)(包括螺釘)不得超越規(guī)

7、定的內(nèi)外球面之間范圍(內(nèi)半徑375mm，外半徑550mm)，若安裝時自己破壞了模型結(jié)構(gòu)，不得臨時再做修補(bǔ)。安裝時間不得超過15分鐘，每超過1分鐘總分扣去2分，扣分累加。3)模型總重M1=MA+MB(精度0.1g)。4.3 抽簽環(huán)節(jié)本環(huán)節(jié)選手通過兩個隨機(jī)抽簽值確定模型的第三級的水平荷載加載點（對應(yīng)模型的擺放方向）及第二級的豎向隨機(jī)加載模式。(1)抽取第三級加載時水平荷載的加載點參賽隊伍在完成模型制作后，要在內(nèi)圈4個加載點附近用筆(或者貼上便簽)按順時針明確標(biāo)出A、B、C、D，如圖5(a)所示。采用隨機(jī)程序從A至D等4個英文大寫字母中隨機(jī)抽取一個，所抽到字母即為參賽隊伍第三級水平荷載的加載點。此時

8、，將該點旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)x軸的負(fù)方向，再將該加載點重新定義為1號點。另外7個加載點按照圖5(b)所示規(guī)則編號：按照順時針的順序，在模型上由內(nèi)圈到外圈按順時針標(biāo)出28號加載點。例如，若在抽取步驟(1)中抽到B，則應(yīng)該按圖5(c)定義加載點的編號，其他情況以此類推。(a)(b)(c)圖5 加載點抽簽編號圖(2)抽取第二級豎向荷載的加載點第二級豎向荷載的加載點是按照圖6中的6種加載模式進(jìn)行隨機(jī)抽取的，抽取方式是用隨機(jī)程序從(a)至(f)等6個英文小寫字母中隨機(jī)抽取一個，抽到的字母對應(yīng)到圖6中相應(yīng)的加載方式，圖中的帶方框的紅色的加載點即為第二級施加偏心荷載的加載點。下圖中點18的標(biāo)號與抽取步驟(1)中確定的加

9、載點標(biāo)號一一對應(yīng)。例如，如果在此步驟中抽到(d)，則在1、2、5、7號點加載第二級偏心荷載，在1號點上加載第三級水平荷載。圖6 6種豎向荷載加載模式示意圖(帶方框的紅色點表示第二級垂直荷載的加載點)4.4 模型幾何尺寸檢測(1)幾何外觀尺寸檢測模型構(gòu)件允許存在的空間為兩個半球體之間，如圖1所示。檢測時，將已安裝模型的承臺板放置于檢測臺上，采用如圖7的檢測裝置A和B，其中A與B均可繞所需檢測球體的中心軸旋轉(zhuǎn)180°。檢測裝置已考慮了允許選手有一定的制作誤差(內(nèi)徑此處允許值為740mm，外徑為1110mm)。要求檢測裝置在旋轉(zhuǎn)過程中，模型構(gòu)件不與檢測裝置發(fā)生接觸。若模型構(gòu)件與檢測裝置接觸

10、，則代表檢測不合格，不予進(jìn)行下一步檢測。(2)加載點位置檢測采用如圖8的檢測裝置C檢測8個豎直加載點的位置。該檢測臺有8個以加載點垂足為圓心，15mm為半徑的圓孔。選手需在步驟4.2時捆綁的每個繩套上利用S形鉤掛上帶有100g重物的尼龍繩，尼龍繩直徑為2mm。8根自然下垂的尼龍繩，在繩子停止晃動之后，可以同時穿過圓孔，但都不與圓孔接觸，則檢測合格。尼龍繩與圓孔邊緣接觸則視為失效。水平加載點采用了點1作為加載位置，考慮到綁繩需要一定的空間位置，水平加載點定位與垂直加載點空間距離不超過20mm。以上操作在志愿者監(jiān)督下，由參賽隊員在工作臺上自行完成，過程中如有損壞，責(zé)任自負(fù)。如未能通過以上兩項檢測，

11、則判定模型失效，不予加載。在模型檢測完畢后，隊員填寫第二、第三級荷載的具體數(shù)值(具體荷載范圍見4.8)，簽名確認(rèn)，此后不得更改。(a) 外輪廓檢測裝置A(b) 內(nèi)輪廓檢測裝置B圖7 幾何外觀尺寸檢測裝置示意圖(單位：mm)圖8 豎直加載點位置檢測裝置C(單位：mm)4.5 模型安裝到加載臺上參賽隊將安裝好模型的承臺板抬至加載臺支架上，將點1對準(zhǔn)加載臺的x軸負(fù)方向，用G型木工夾夾住底板和加載臺，每隊提供8個夾具，由各隊任選夾具數(shù)量和位置，也可不用。在模型豎直加載點的尼龍繩吊點處掛上加載繩，在加載繩末端掛上加載掛盤，每個掛盤及加載繩的質(zhì)量之和約為每套500g。調(diào)節(jié)水平加載繩的位置到水平位置，水平加

12、載掛盤在施加第三級水平荷載的時候再掛上。4.6 模型撓度的測量方法工程設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是結(jié)構(gòu)性能的兩個重要指標(biāo)。在模型的第一、二級加載過程中，通過位移測量裝置對結(jié)構(gòu)中心點的垂直位移進(jìn)行測量。根據(jù)實際工程中大跨度屋蓋的撓度要求，按照相似性原理進(jìn)行換算，再綜合其他試驗因素后設(shè)定本模型最大允許位移為w=12mm。位移測量點位置如圖9所示，位移測量點應(yīng)布置于模型中心位置的最高點，并可隨主體結(jié)構(gòu)受載后共同變形，而非脫離主體結(jié)構(gòu)單獨設(shè)置。測量點處粘貼重量不超過20g的尺寸為30mm×30mm的鋁片，采用位移計進(jìn)行位移測量。參賽隊員必須在該位移測量處設(shè)置支撐鋁片的桿件。鋁片應(yīng)粘貼牢固，加載

13、過程中出現(xiàn)脫落、傾斜而導(dǎo)致的位移計讀數(shù)異常，各參賽隊自行負(fù)責(zé)。圖9 位移測量點位置示意圖在4.5步驟完成后，將位移計對準(zhǔn)鋁片中點，位移測量裝置歸零，位移量從此時開始計數(shù)。4.5及4.6的安裝過程由各隊自行完成，賽會人員負(fù)責(zé)監(jiān)督、標(biāo)定測量儀器和記錄。如在此過程中出現(xiàn)模型損壞，則視為喪失比賽資格。安裝完畢后，不得再觸碰模型。4.7答辯環(huán)節(jié)由一個參賽隊員陳述，時間控制在1分鐘以內(nèi)。評委提問及參賽隊員回答，時間控制在2分鐘以內(nèi)。4.8具體加載步驟：加載分為三級，第一級是豎直荷載，在所有加載點上每點施加5kg的豎向荷載；第二級是在第一級的荷載基礎(chǔ)上在選定的4個點上每點施加4-6kg的豎向荷載（注：每點荷

14、載需是同一數(shù)值）；第三級是在前兩級荷載基礎(chǔ)上，施加變方向水平荷載，大小在4kg8kg之間。第二、三級的可選荷載大小由參賽隊伍自己選取，按1kg為最小單位增加。現(xiàn)場采用砝碼施加荷載，有1kg和2kg兩種規(guī)格。(1)第一級加載：在圖3中的8個加載點，每個點施加5kg的豎向荷載；并對豎向位移進(jìn)行檢測。在持荷第10秒鐘時讀取位移計的示數(shù)。穩(wěn)定位移不超過允許的位移限值w=12mm(注：本賽題規(guī)則中所有的位移均是指位移絕對值，若在加載時，位移往上超過12mm也算失效)，則認(rèn)為該級加載成功。否則，該級加載失效，不得進(jìn)行后續(xù)加載。(2)第二級加載：在第一級的荷載基礎(chǔ)上，在4.3步驟抽取的4個荷載加載點處施加4

15、-6kg的豎向荷載(每個點荷載相同)；并對豎向位移進(jìn)行檢測。在持荷第10秒鐘時讀取位移計示數(shù)，穩(wěn)定位移不超過允許的位移w=12mm，則認(rèn)為該級加載成功。否則，該級加載失效，不得進(jìn)行后續(xù)加載。(3)第三級加載：在前兩級的荷載基礎(chǔ)上，在點1上施加變動方向的水平荷載。比賽選手首先在I點處掛上選定荷載。而后參賽隊伍自己推動已施加荷載的可旋轉(zhuǎn)加載裝置，依次經(jīng)過、四點，并且不受到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的阻擋。這四個點的位置關(guān)系如圖10所示。轉(zhuǎn)到、這四點時，應(yīng)各停留5秒鐘。如果加載的過程中，模型沒有失效，則加載成功。以上三級的總加載時間不超過4分鐘。若超過此時間，每超過1分鐘總分扣去2分，扣分累加。圖10 第三級荷載加載

16、方式無特殊情況下(是否特殊情況由專家組判定)，每個隊伍從模型安裝到加載臺上(步驟4.5開始)到加載結(jié)束應(yīng)在10分鐘內(nèi)結(jié)束，若超過此時間，每超過1分鐘總分扣去2分，扣分累加。4.8 模型失效評判準(zhǔn)則加載過程中，出現(xiàn)以下情況，則終止加載，本級加載及以后級別加載成績?yōu)榱悖?1)加載過程中，若模型結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆、垮塌，則終止加載，本級加載及以后級別加載成績?yōu)榱悖?2)如果設(shè)置的掛繩斷裂或者脫落失效，也應(yīng)視為模型失效；(3)第一級或第二級荷載加載時撓度超過允許撓度限值w；(4)評委認(rèn)定不能繼續(xù)加載的其他情況。5模型材料本項比賽模型制作材料由組委會統(tǒng)一提供，現(xiàn)場制作；各參賽隊使用的材料僅限于組委會提供的

17、材料。允許選手對所給材料進(jìn)行加工、組合。如模型中采用的材料違反上述規(guī)定，一經(jīng)查實，將取消參賽資格。每隊統(tǒng)一配發(fā)以下材料(由組委會提供)：(1)竹材，用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。竹材規(guī)格及數(shù)量如表1所示，竹材參考力學(xué)指標(biāo)如表2所示。表1竹材規(guī)格及用量竹材規(guī)格竹材名稱數(shù)量竹皮1250mm×430mm×0.50mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮2 張1250mm×430mm×0.35mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮2 張1250mm×430mm×0.20mm本色側(cè)壓單層復(fù)壓竹皮2 張竹條900mm×6mm×1mm20根900mm×2mm&

18、#215;2mm20根900mm×3mm×3mm20根注：竹條實際長度為930mm。表2竹材參考力學(xué)指標(biāo)密度順紋抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度彈性模量0.789g/cm3150MPa65MPa10GPa(2)膠水：用于模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接，限8瓶。(3)制作工具：美工刀3把、剪刀2把、鑷子2把、6寸水口鉗1把、滴管若干、鉛筆兩支、鋼尺(30cm)以及丁字尺(1m)各一把、三角尺(20cm)一套。打孔器（公用）。(4)測試附件為30mm×30mm的鋁片，重20g，用于撓度測試。(5)尼龍掛繩，此掛繩僅用于綁扎掛鉤用，不得用于模型構(gòu)件使用，稱重時掛繩綁扎在結(jié)構(gòu)上一起稱重。6、評分標(biāo)準(zhǔn)6.1總分構(gòu)成結(jié)構(gòu)評分按總分100分計算，其中包括：(1) 理論方案分值: 5分(2) 現(xiàn)場制作的模型分值: 10分(3) 現(xiàn)場陳述與答辯分值: 5分(4) 加載表現(xiàn)分值: 80分6.2評分細(xì)則A. 理論方案: 滿分5分第i隊的理論方案得分Ai由專家根據(jù)計算內(nèi)容的科學(xué)性、完整性、準(zhǔn)確性和圖文表達(dá)的清晰性與規(guī)范性等進(jìn)行評分；理論方案不得出現(xiàn)參賽學(xué)校的標(biāo)識，否則為零分。注：計算書要求包含：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建