教育教学论坛

引言

在土木工程高等教育中，结构设计竞赛可以为土木相关专业的大学生提供一个展现自我创造力的平台，使其创新探索、实践动手等方面的能力得到充分的锻炼和提升^[1]。鉴于此为将所学专业知识运用到工程实践，提高大学生团队协作能力和创新意识，我校参加了竞赛题目为“山地输电塔模型设计与制作”的2019年全国大学生结构设计竞赛。

一、结构方案选型分析

（一）方案构思

分析赛题后，选择以实际输电塔结构为背景，参考其对设计此次竞赛输电塔结构模型的指导作用，总结出以下几个难点：①分析承受不对称竖向荷载时结构承载力及变形性能；②分析承受竖向和变方向水平向荷载时结构的承载力；③控制结构质量、减小所受应力以及提高结构的刚度之间做到合理平衡的方法。

（二）结构选型

通过反复计算和加载试验，最终模型经优化后选定了带长拉索的塔式结构， 0°、15°和30°模型相同（如图1所示），为了避免45°工况时模型与加载装置碰撞将高挂点向外水平偏移。模型采用等腰直角三角形截面（如图2所示），由横梁划分的塔体层数由四层改为三层，之间用交叉拉带相连，大大减少了构件数量。但因此梁柱受力较大，尤其是在二级扭转情况下大量的圈梁拉带受力较大，此问题通过调整杆件截面和厚度得以解决。悬挑水平偏移45°以减小导线张力的水平分量，减小了扭矩以及倾覆力矩，并且仅保留下弦两根杆件，上弦杆则用连接高挂点和低挂点的拉带代替。将上弦拉杆改为拉带使应力集中，随构件受拉力因此加大但采用拉带充分利用了竹材抗拉不抗压的特性，并且减少了节点拼接的构件降低了节点处理的难度。另外利用偏移的低挂点，设置两条长拉索，连接于低挂点和塔底，以此抵抗二级的扭转作用将低挂点所受拉力传递至柱脚避免塔身受力过大。但由于制作误差长拉索很难在开始加载时立即发挥作用，所以要在一定程度上降低塔身刚度以使模型发生扭转变形，进而使长拉索充分发挥作用。为了充分利用竹材的抗拉抗压强度，主要在受压侧进行加厚而不是在杆件四面同时加厚，尤其是对于塔体的柱子所受压力从上到下逐渐递增，每个面所贴片长度也加以区分，也通过在相同截面尺寸的杆件外部贴片加厚的方法避免了变截面杆件拼接不便连接破坏其整体性和稳定性的问题。

图1  0°、15°和30°模型实物图      图2 45°模型实物图

（三）节点处理

在实际结构中，节点受力较为复杂，节点的连接方式往往决定了整个结构模型的成败^[3]。除了根据节点需要裁剪构件的长度和角度以外，不仅要在连接处需要加贴用两张纹路垂直的竹片制作的节点板增加水平和竖直方向上的强度，还需要在连接的空隙处填上竹屑以增加接触面积，避免出现节点脱落或破坏的问题。

二、结构设计计算

从工程实例角度出发，上述选型分别具有自己的优势。但从结构模型制作的角度出发，需要考虑尽量减少杆件制作量，充分发挥构件工作性能，减少设计施工工作量。综合对比不同结构选型，在整个设计中，以“轻质高强，实用美观”作为设计指导思想，通过采用MIDAS以及SAP2000软件进行反复模拟计算，并经初步实际加载试验，最终选定上述结构开展设计制作。

（一）计算假定

在进行建模分析之前，参考模型及竹材性能信息，对主要参数和杆件进行了定义。①材料部分：竹皮的弹性模量设为6000 N/mm²，抗拉强度设为62N/mm²；钢绞线的弹性模量设为206000 N/mm²，抗拉强度标准值设为345N/mm²。②构件受力部分：假定交叉拉带以及长短拉索部分仅受拉，受压承载力为0，其余中空矩形杆件既能受拉也能受压，节点均按刚结点进行计算。模型与底板之间按固定约束假设，钢索与承台板按铰支座假设。③构件尺寸部分：由于开始设计时并无参考数据，计算时按下表1中假设构件尺寸信息。

表1  0°、15°和30°加载模型构件截面尺寸信息

（二）承载力计算

构件在各级加载下所受的内力中，以轴向力为主。经过计算可以得出不同工况下主要受力构件的最不利轴向应力计算值，以此作为依据设计构件的截面尺寸和使用的竹材厚度。首先根据加载试验的结果设计假定截面，计算后将所得应力大小与材料强度加以比较后再重新调整杆件截面大小及厚度。根据Midas建模及理论分析可知：

1.为满足三级加载设计的模型在承受一级荷载时产生的内力远小于结构的极限承载力设计值，应当着重考虑二、三级荷载产生的扭矩和侧向倾覆力产生的较大轴力。

2.所有杆件中的较大轴力均为柱子最底层，由于篇幅原因仅在下表2列出45°条件下C工况部分较大杆件轴力作为参考。可用公式（若杆件所受弯矩较大需要使用公式）校核压应力是否超过了竹材的参考抗拉强度=30MPa。

3.因在设计时选用了交叉拉带，还需要对竹条的抗拉强度进行校核，其在0°、15°、30°、45°时的最大拉力分别为180.0N、236.9KN、275.7KN、310.2KN，但在实际加载时交叉拉带仅有一根受拉，所以主受拉方向可以选用截面尺寸为3.0mm×3.0mm的竹条，其余则可选用截面尺寸为2.0mm×2.0mm的竹条，连接高挂点和低挂点的竹条为了增大粘接面积则选用截面1.0mm×6.0mm。

4.由计算结果以及实际加载情况得杆件截面尺寸信息如下表3。

表3  0°、15°和30°条件下加载模型构件截面尺寸信息

三、结语

结构设计竞赛是既有挑战性又有趣味的科技竞赛，通过第十三届全国大学生结构设计竞赛的备赛和比赛阶段，得到如下结论：①充分了解材料性能、合理设计选型是结构安全可靠的前提。②借鉴实际工程实例、敢于尝试探索、运用所学专业知识可以提高参赛学生的思考宽度和深度，提高大学生的创新能力、动手实践能力和解决复杂工程问题的能力。③理论计算结果可以作为结构模型设计的参考依据，但还要结合实际情况进行调整和优化。