結(jié)構(gòu)模型競賽與工程實(shí)際的比較性研究

1、<p>　　結(jié)構(gòu)模型競賽與工程實(shí)際的比較性研究</p><p>　　摘要:模型競賽鼓勵(lì)充分發(fā)揮想象，挑戰(zhàn)極限，競賽模型的設(shè)計(jì)很少依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和工程實(shí)際，而工程實(shí)際中設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)健全，兩者在諸多方面存在差異，為探討借鑒工程規(guī)范指導(dǎo)模型競賽以及將競賽設(shè)計(jì)模型運(yùn)用到工程實(shí)際中的可能性。本文基于作者參加第四屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽的體會(huì)，從六個(gè)不同的角度，對(duì)結(jié)構(gòu)競賽模型的設(shè)計(jì)和工程實(shí)際進(jìn)行比較性研究。 <

2、/p><p>　　關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)競賽模型設(shè)計(jì)；工程實(shí)際；比較性研究；差異； </p><p>　　Abstract: It is encouraged in structure model design contest(SMDC) to make full use of imagination and challenge the limit.Compared to engineering pra

3、ctice,specifications are seldom used in SMDC .So there are many differences between the practice and SMDC. To explore the possibility of referring engineering specifications in the competition and taking the model design

4、 into the engineering practice, the researchtaking the forth structure model design contest which author took part in as an exampl</p><p>　　Key word:: Design of strutural contest model; Engineering practice;

5、 Comparative studies; Differences; </p><p>　　中圖分類號(hào)： G0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章標(biāo)識(shí)碼： </p><p><b>　　一、 前言 </b></p><p>　　大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽是近20年來在國內(nèi)各高校普遍開展的一項(xiàng)影響較大的大學(xué)生課外學(xué)科性競賽活動(dòng)。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽在一定程度上激發(fā)了大學(xué)

6、生的創(chuàng)新思維，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，但是這樣的結(jié)構(gòu)模型競賽存在一定的不足，設(shè)計(jì)模型的時(shí)候很少依據(jù)工程規(guī)范和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出的作品不能直接用于工程實(shí)際，這種單純的為了競賽而競賽，不服務(wù)于實(shí)踐的模型設(shè)計(jì)，一定程度上給設(shè)計(jì)人員造成了誤解，同時(shí)也對(duì)社會(huì)有限的資源造成了浪費(fèi)。所以關(guān)于模型競賽與工程實(shí)際的問題值得做深入的研究。本文就以作者親身參加的第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為例，從六個(gè)不同的角度進(jìn)行比較分析。第四屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽

7、的題目是體育場懸挑屋蓋，所使用的材料是桐木。 </p><p>　　二、 結(jié)構(gòu)模型競賽與工程實(shí)際的比較性研究 </p><p>　?。?）荷載組合和荷載工況角度的比較性研究 </p><p>　　結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中所受的荷載是多種多樣的，而這些荷載會(huì)有不同的荷載組合，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮各種可能出現(xiàn)的荷載組合，例如在PKPM中，當(dāng)采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模的時(shí)候，系統(tǒng)默認(rèn)的荷

8、載組合就有幾十種，這還不包括設(shè)計(jì)者自己定義的各種組合，如果設(shè)計(jì)者有必要進(jìn)行荷載組合的自定義，那么一個(gè)結(jié)構(gòu)的荷載組合可能會(huì)多達(dá)上百種。此次結(jié)構(gòu)模型競賽中，加載的荷載有重1.88kg的加載條，視為靜載，且為剛性荷載；和風(fēng)速為9m/s和12m/s的風(fēng)荷載，視為動(dòng)載。加載的過程顯示，該模型的荷載組合只有三種：1、靜荷載 + 模型自重；2、模型自重 + 9m/s風(fēng)荷載；3、模型自重 + 12m/s風(fēng)荷載。由此可見，工程實(shí)際中和模型競賽中的荷載組合

9、存在較大差異。 </p><p>　?。?）材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度角度的比較性研究 </p><p>　　木材的材料強(qiáng)度受到持荷時(shí)間的影響，以木材抗彎強(qiáng)度為例，如果持續(xù)長時(shí)間施加荷載，木材的強(qiáng)度就會(huì)變低。假設(shè)在靜力加載實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為100%，那么荷載持續(xù)時(shí)間1年，強(qiáng)度就會(huì)下降33%，荷載持續(xù)時(shí)間50年，強(qiáng)度就會(huì)下降60%。工程實(shí)際中為使結(jié)構(gòu)荷載作用的時(shí)間無論多長木材都不致破壞，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以木材的

10、長期強(qiáng)度為依據(jù)。但是模型競賽中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以瞬時(shí)強(qiáng)度為依據(jù)的。瞬時(shí)強(qiáng)度要大于材料的長期強(qiáng)度。例如：順紋受壓的長期強(qiáng)度大約僅為瞬時(shí)強(qiáng)度的0.5～0.59，順紋受拉的長期強(qiáng)度大約為瞬時(shí)強(qiáng)度的0.5，靜力彎曲的長期強(qiáng)度大約為瞬時(shí)強(qiáng)度的0.5～0.64，順紋受剪的長期強(qiáng)度大約為瞬時(shí)強(qiáng)度的0.5～0.55[2]。工程實(shí)際中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限，木材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值需要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)使用年限取不同的調(diào)整系數(shù)。但是，在模型競賽中，由

11、于模型是短期制作短期加載，不用考慮材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度與設(shè)計(jì)使用年限之間的關(guān)系，也就不用考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的調(diào)整系數(shù)。 </p><p>　?。?）控制點(diǎn)選取角度的比較性研究 </p><p>　　此次競賽中，控制點(diǎn)位于距懸挑屋蓋前緣35mm，距兩側(cè)100mm的地方，通過測量這兩個(gè)點(diǎn)的位移來判定結(jié)構(gòu)的剛度。加載的荷載條為剛性的，故能使模型結(jié)構(gòu)整體共同工作；而在工程實(shí)際中，當(dāng)采用空間相互作用較小的結(jié)構(gòu)體

12、系時(shí)，各榀結(jié)構(gòu)之間荷載一般按負(fù)荷面積進(jìn)行分擔(dān)的。模型競賽中，只控制加載條處主結(jié)構(gòu)的豎向變形，而不對(duì)結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)變形能力、屋面檁條、屋面板的剛度進(jìn)行控制，從而在比賽中出現(xiàn)了大量模型的變形最大點(diǎn)不在加載條處的情況、屋面檁條的剛度嚴(yán)重不足，根本起不到對(duì)屋面板進(jìn)行支承的作用、個(gè)別構(gòu)架長細(xì)比偏大，試驗(yàn)中出現(xiàn)振動(dòng)。但是，在工程實(shí)際中，須對(duì)正常使用極限狀態(tài)下主結(jié)構(gòu)、檁條、屋面板的撓度進(jìn)行控制，同時(shí)也對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長細(xì)比進(jìn)行控制。 </p>

13、<p>　　（4）結(jié)構(gòu)功能角度的比較性研究 </p><p>　　設(shè)計(jì)任何建筑物或構(gòu)筑物，必須在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，滿足安全性、適用性和耐久性的要求。此次結(jié)構(gòu)模型競賽的考核指標(biāo)中，質(zhì)量輕是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。但是過分追求質(zhì)量輕，不能保證安全性的要求。此外，過輕的質(zhì)量對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度和撓度是十分不利的，這就不能保證結(jié)構(gòu)的適用性要求。其次，比賽中判斷模型損壞的標(biāo)志為模型任何構(gòu)件（包括覆面材料）或連接發(fā)生明顯破損

14、。但是在工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不止不能出現(xiàn)明顯的破損，還必須保證結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能，即使結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有出現(xiàn)明顯的破損，也有可能導(dǎo)致其不滿足這一要求，比如結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件出現(xiàn)過大的撓度或者過寬的裂縫。所以，在工程實(shí)際中，出現(xiàn)明顯破壞顯然不能作為判斷結(jié)構(gòu)破損的標(biāo)志，其標(biāo)準(zhǔn)要更為嚴(yán)格。再次，如前所述，模型競賽中考慮的荷載組合和荷載工況相對(duì)來說顯得簡單，按照模型競賽的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的結(jié)構(gòu)模型，可能會(huì)導(dǎo)致模型不滿足結(jié)構(gòu)的安全性和適用

15、性要求。 </p><p>　?。?）截面類型角度的比較性研究 </p><p>　　工程實(shí)際中，常用的構(gòu)件截面形式有矩形、圓形、環(huán)形、H形、工字形、格構(gòu)式、槽形等。以實(shí)心矩形、圓形截面和空腹矩形、圓環(huán)截面為例，假設(shè)截面的面積A都為10000mm2，通過計(jì)算得知空腹薄壁矩形截面的慣性矩、截面系數(shù)和回轉(zhuǎn)半徑都是最大的，所以空腹薄壁矩形截面的受力性能在這三者中是最好的，實(shí)心圓形截面次之，實(shí)心矩

16、形截面最差。此外，空腹矩形截面不僅在受力性能上優(yōu)于其他兩種，在質(zhì)量上也比其他兩種輕得多。 </p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)選型角度的比較性研究 </p><p>　　結(jié)構(gòu)選型就是根據(jù)材料特性、加載要求等，確定符合力學(xué)原理、美觀、便于制作、輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)模型。不同的比賽對(duì)結(jié)構(gòu)的受力要求各不相同，比如高層，橋梁，屋蓋等，結(jié)構(gòu)體系需視具體情況分析選擇[3]。在結(jié)構(gòu)選型的原則方面：工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)

17、選型考慮的荷載是多種多樣的，而模型競賽中，要考慮的荷載只是競賽規(guī)定加載的荷載；模型競賽中對(duì)于創(chuàng)新性的要求較高，可能會(huì)忽略某些實(shí)際工程中要考慮的因素；工程實(shí)際中結(jié)構(gòu)選型要與建筑選型緊密結(jié)合，在結(jié)構(gòu)選型的時(shí)候要充分考慮建筑的功能、造型的要求，而在競賽模型中，則不用考慮建筑的因素，只需要按照競賽的規(guī)定選擇合理的結(jié)構(gòu)形式即可。 </p><p><b>　　三、結(jié)論 </b></p>

18、<p>　　結(jié)構(gòu)競賽模型設(shè)計(jì)雖屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但與工程實(shí)際存在一定的差異：1、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽在荷載組合和荷載工況在數(shù)和量上考慮得較為簡單和單一，與工程實(shí)際不符。2、競賽中對(duì)于材料強(qiáng)度的考慮不全面，且結(jié)構(gòu)可靠度的選取要低于工程實(shí)際中可靠度的值。所以，競賽中材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度可提高使用。3、結(jié)構(gòu)競賽中控制點(diǎn)的選取比較片面，工程實(shí)際中的控制指標(biāo)更全面。4、模型競賽中由于還要考慮考核指標(biāo)、成績等因素，可能導(dǎo)致制作出的模型與工程實(shí)際建造出的結(jié)