高璠 付旭 李茜 王大光 刘晓立 王江 蹇志权 张冠宇 游业刚 李立斌

摘 要：以第一届河北省大学生结构设计竞赛为背景，介绍了参赛作品的设计与制作全过程，该作品采用了有限元软件进行验算与分析，并且最终加载成功。本次结构设计竞赛以制作渡槽支承系统结构为目标，除了要求结构具有足够强的承载力以外，还需要具有较高的输水效率，并且对竹材的用量也有严格的要求，模型的制作难度非常大。文章的设计思路和模型的制作方法对结构设计竞赛具有一定的参考价值。

关键词：结构设计；竞赛；模型制作；迈达斯；渡槽

中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0001-04

Abstract： With the background of the first college students' structural design competition in Hebei Province， this paper introduces the whole process of the design and production of the entries， which is checked and analyzed using the finite element software， and is finally loaded successfully. The aim of this structural design competition is to make the aqueduct supporting system structure， which not only requires the structure to have strong bearing capacity， but also needs to have a high efficiency of water conveyance， and it also has strict requirements on the amount of bamboo timber used. The making of the model is very difficult. The design idea and the model making method of the paper can provide reference for the structure design competition.

Keywords： structural design； competition； model making； Midas； aqueduct

我国的淡水资源总量为2.8124万亿m3，人均水资源量仅有2300m3，属于干旱缺水的国家。由于我国的地理位置同时跨越高、中、低三种维度，使得水资源在时间、空间分配上极不均匀，从时间分配来看，具有夏秋多、冬春少的特点；从空间上来看，南方多、北方少，其中宁夏、河北等6省人均水资源低于500m3，属于严重缺水地区。

跨流域调水工程是解决我国水资源分配不均这一难题的重要途径之一。渡槽是一种可以跨越河渠、道路、山谷的的架空水工建筑物，能够有效减小地形对输水的限制，在输水工程中应用较广。第十一届全国大学生结构设计竞赛正是以渡槽支承系统结构为背景，旨在通过制作渡槽支承系统结构模型并进行输水加载试验，引导大学生综合运用所学的基础理论、实验方法和专业知识，分析输水时渡槽支承系统结构的受力特点，进而设计结构方案并进行优化，同时探讨施工过程中的技术问题，从而培养学生的科学素养、创新设计能力以及工程实践能力。本文从竞赛赛题要求出发，对渡槽支承系统结构模型的设计和制作过程进行分析，基于Midas有限元软件对渡槽支承系统大跨度结构模型的承载能力和变形能力进行分析，为今后渡槽支承结构设计提供了一种新的思路。

1 赛题分析

1.1 赛题基本要求

竞赛赛题要求参赛队制作一组渡槽支承系统结构模型，并通过加载和卸载测试。加载装置主要包括输水装置（由128L的水桶、0.75kW的水泵和输水管等组成，其中输水管为加筋软管并用来模拟渡槽）和承台（用于固定模型），加载装置三维示意图和平面示意图如图1和图2所示。

模型结构形式不限，支承个数不限，但是必须采用组委会提供的给定用量的竹材、502胶水和制作工具现场制作。竹材规格及用量如表1所示。

制作完成后的模型在25分钟内安装在承台板上，将水抽入输水管中，要求载入水量大于50kg，并持荷20秒不发生整体垮塌；卸载要求在2分钟之内完成，剩余水量小于10kg，并计算输水效率。

1.2 材料分析

充分認识材料的力学性能是对模型结构进行合理设计的基础。竹材的弹性和韧性较好，顺纹的抗拉强度高，接近钢材的一半，而密度仅为钢材的1/10，具有较好的力学性能，竞赛所用竹材参考力学指标如表2所示。

由材料力学知识可知，空心杆件要比实心杆件更能充分利用材料，因此可由竹片制作薄壁式杆件。杆件的截面形式可为圆形、矩形、三角形等，从手工制作难易程度分析，圆形截面更容易制作。经过多次不同制作工艺和实际加载测试，将0.5mm厚的竹片沿垂直纹理方向卷制两层的薄壁圆截面杆件可作为主要受力构件。其它两种竹片可作为基础和桥面板使用。竹条与竹片相比，不能抗压，可用来制作拉杆或拉索等受拉构件。

1.3 路径分析

如图1和图2所示，赛题要求将水从入水口输送到出水口（即图1中的4到10位置），入水口与出水口之间的高差为200mm。输水管的路径走向是首先考虑的问题，路径短则耗费的材料少，在制作过程中材料会更充足，并且质量也小，在公式计分上会更高。

其中，赛题的隐藏要求是输送路径的正投影必须要经过图2中的A、B两点，在此前提下，只能设计连接入水口与A点之间的长达1m的大跨度支承结构。

在路径选择方面有下列三种方法：

（1）按照图1示意图的路径进行设计。这是最常规和普遍使用的方式，该方式的缺点是大跨度支承结构的制作需要耗费较多的材料，剩余材料较少。

（2）输水管从入水口处按逆路径走，在到达A点之后再做大跨度支撑结构。此路径优点在于水流从入水口处流出后，避免了直接经过大跨度断面，在路径最后阶段才经过大跨度断面，减小了大跨度支撑结构所受到的动载荷。但是由于沿途的水头损失，会造成输水效率的降低。

（3）路径为输水口→A→B→A出水口，此路径优点是节省了一半的路径材料，是非常好的方案，但是缺点是输水管需要交叉重叠，相当于增加了两倍输水管的重量，在大跨度支承结构处设计难度加大。

2 模型结构制作工艺

经过对赛题的仔细分析，本文最终选取了第一种路径方案。基于该路径方案的模型结构制作过程按照试验台四边分为四个阶段：第一个阶段为大跨度桥梁阶段；第二阶段为过A、B两点阶段；三阶段为离入水口最远距离的阶段（即图2中试验台下边

阶段）；第四阶段为出水口阶段，其中转角处均进行加强处理。

2.1 第一阶段：大跨度桥梁制作阶段

该阶段耗费材料和时间最长，也是整个制作过程中的最重要阶段，根据现代渡槽支承结构形式可选择梁式、拱式、斜拉式等结构构型，在经过多轮方案比选后，最终确定模型结构构型为斜塔斜拉桥形式，该结构形式如图3所示。该阶段的详细制作要点如下。

2.1.1 斜拉塔的制作

塔的制作是用两张厚竹片卷成圆筒，在保证塔本身具有足够强度下，尽可能将截面面积扩大，最后用胶水粘接。将塔下部分适量切除，将塔做成斜塔。受到A、B两点的限制，在远离入水口处的位置上只能制作直塔。直塔和斜塔的后面都加上了背索，将竹片逆纹路卷成圆形矮桩用于固定背索。在制作过程中要保证以下几点：

（1）各种杆件需要卷成空心，这样做可以尽量扩大截面面积，增大惯性矩，保证稳定。

（2）满载时，桥面板上的水重量过大，模型中间弯矩过大，易造成塔的拉应力破坏，因此出水口采用斜塔形式。将水的重力载荷尽可能多地转变成轴向力。但是需保证两个斜塔的倾斜角度相同。

（3）塔的身后加上背索，利用材料本身所具有的较强的抗拉性能，保证提供足够的水平力来抵抗重力载荷对塔身所产生的拉应力。

2.1.2 桥面和拉索制作

桥面用扁平竹条和厚竹片制作，制作过程如图4所示。

首先用扁平竹条设计出基本的桥梁骨架，再将厚竹片逆纹路平铺到桥面骨架上，并进行粘贴。最后裁剪竹片成条状，作为拉锁。制作中的要求如下所示：

（1）横向竹条在连接时应挖出槽口，保证连接的稳定，纵条不挖。

（2）在粘贴拉索时，需要注意要用力拉拉锁，将桥面拉出一个向上的预应力，如果没有预应力在模型装满水之后桥面会在中间塌陷，对结构造成破坏。

2.2 第二、三、四阶段制作

其余三个阶段的制作比较简单，与斜塔制作相似，将剩下的竹片制作成圆筒状，两个圆筒之间通过正方形截面竹条进行连接粘贴。粘贴好后，将桥面粘贴在上面，制作桥面的方法与第一阶段相同。出水口与入水口之间的高差在250mm左右，尽量将桥面制作成具有连续较小坡降的坡度，如果坡降太大，会导致水流动对模型局部产生较大的动载荷，避免造成局部破坏。第二、三、四阶段支承结构如图5所示。

转角处需要考虑水流的湍流作用，因此转角处需要设置支撑构件来进行加强处理，以克服湍流所产生的剪力与弯矩。

加载过程中，第四阶段的支承结构在加载时会出现晃动，分析后确定主要是转弯处水流会产生不同方向动载荷，因此在第四阶段并没有制作成双排柱子，而是将两个柱子的材料合成在一起制作成了一个立柱，截面面积做到最大，保证惯性矩最大，同时在输水管与立柱的接触处利用竹片裁成的竹带进行捆绑，另外结构高度也降低了较多，这些措施保证了支承柱结构的稳定性。

3 结构模拟验算与分析

本文采用Midas Civil有限元软件对模型结构进行验算与分析。软件验算与分析流程如图6所示。

3.1 建立节点单元

Midas Civil有限元软件提供了多种节点建立方式，在建立初始可能比较简单，但是在节点单元增多后，如果模型出现问题，那么避免不了修改大量的单元节点，所以可以在建立节点时，对节点进行分组，后期出现问题可以在组内进行寻找，这样修改会比较方便。

3.2 材料与截面特性

建立单元后需要考虑选取单元类型。由于竞赛的材料主要为竹材和PVC输水管，在Midas Civil有限元软件特性栏中并没有这两种材料，在验算时需要查找相关材料力学参数资料并通过自定义的方法重新设置。由于绘制的单元并不是实体，在设置完材料特性后，需要将本单元的材料和截面应用到单元里，以便进行后面的分析。本文所设置的材料和截面特性如表3所示。

3.3 边界条件

本步骤是根据竹质模型的实际情况来对有限元模型的边界进行约束，限制节点位移与扭转。实际竹质模型的边界条件中包含固定螺栓，为了模拟方便，在有限元模型的边界条件中去掉螺栓，这样的计算结果能够保证模型具有足够大的承受载荷的能力。

3.4 施加载荷

Midas Civil中可施加多种荷载，可根据实际情况设置模型所承受的载荷大小，并对载荷进行编辑，最后施加到模型中。本次模型加载需要进行两次载荷分析：首先是静力荷载，在水流加载完成后，输水管中的水是静止状态，此时对模型施加静力荷载最合适的；其次，也需要分析动力载荷，在加载和卸载的过程中，水是流动的，这时需要考虑流动对模型的影响。

3.5 模型分析

在上述步骤完成后对模型位移和变形情况进行分析，模型位移情况如图7所示，结构中各杆件所受应力大小可以通过各杆件的位移颜色直接展示。

4 結束语

虽然本次结构设计竞赛是制作渡槽的支承系统模型，但是其实主要考察桥梁的设计与制作工艺。本文模型在称重和输水效率方面具有较大优势，在桥梁构型方面选择的是桁架与拱的组合形式，做到了质量最轻，对于本次结构设计竞赛的各种构型中是最好的选择。

在本届河北省大学生结构设计竞赛中，本文制作团队从赛题基本要求出发，借鉴了实际中的桥梁形式，并通过迈达斯有限元验算，将桥梁理论成功运用到渡槽支承系统的设计之中，做到了理论与实际情况相结合。同样，其它参赛队的模型的制作非常值得借鉴。通过事实证明结构设计竞赛是实践性很强的赛事，只有将力学理论和专业知识融入到实践中才能最大限度提高设计与制作水平。

参考文献：

[1]黄海林，李永贵，祝明桥，等.MIDAS在大学生结构设计竞赛中的应用[J].高等建筑教育，2016，25（3）：156-160.

[2]舒小娟，黄柱，周旭光.纸拱桥结构模型优化建模分析-大学生结构设计竞赛谈[J].力学与实践，2012（4）：89-92.

[3]黎永索.大学生结构设计竞赛的赛题设计与实践[J].高等建筑教育，2014，23（5）：156-160.

[4]付果，吴仕荣，王磊，等.大学生结构设计竞赛中的结构创新设计与优化[J].高等建筑教育，2017，26（6）：105-111.

[5]沈璐，高潮，王志云.第七届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析[J].高等建筑教育，2014，23（4）：159-163.