陳玉驥

摘要：本文根據(jù)這幾次比賽的具體情況并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗，敘述了“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽”的意義，闡述了作者指導(dǎo)我校學(xué)生參加“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽”的認(rèn)識與體會。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽；土木工程專業(yè)；意義；認(rèn)識

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0186-02

一、引言

為了加強(qiáng)中南地區(qū)高校土木類專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)交流，促進(jìn)土木工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高，由華南理工大學(xué)發(fā)起，中南地區(qū)高等院校土木類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦，深圳大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院承辦的第一屆中南地區(qū)高等院校土木工程專業(yè)“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽”，于2005年11月在深圳大學(xué)舉行。共有華南理工大學(xué)、湖南大學(xué)、廣西大學(xué)、深圳大學(xué)和我校等十幾所高校的三十多件作品參賽。隨后，2007和2009年又分別在湖南科技大學(xué)和三峽大學(xué)舉辦了第二和第三屆“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽”。隨著該項賽事影響的逐漸加大，參賽學(xué)校不斷增加。第一屆比賽，僅13個學(xué)校參賽，到第三屆比賽，參賽學(xué)校達(dá)到42所。歷次比賽，現(xiàn)場上同學(xué)們躍躍欲試，氣氛緊張而有序，熱烈而又精彩，充滿了團(tuán)結(jié)友好的氣氛。為了加強(qiáng)學(xué)校品牌活動，促進(jìn)結(jié)構(gòu)力學(xué)精品課程建設(shè)，我校每次均派隊參賽，目前，共獲得二等獎兩項、三等獎一項，取得了良好的成績。

二、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽的簡介

每次比賽都有一個主題。如，第一至三屆比賽的題目分別是“承受豎向靜力荷載的簡支結(jié)構(gòu)模型設(shè)計”、“設(shè)計承受局部靜荷載的紙質(zhì)受力結(jié)構(gòu)模型”和“兩跨連續(xù)渡槽模型設(shè)計”。指定的材料為圖紙，乳膠和棉線。模型質(zhì)量、模型的長度、寬度、高度都做了具體限制。在規(guī)定時間內(nèi)各對要設(shè)計并制作完成模型。比賽排名由模型承載重量和模型自重比值（Q/W）大小確定。此外，大賽主委會還對參賽選手、參賽作品、說明書、答辯、加載等提出了具體要求。如第一屆中南地區(qū)結(jié)構(gòu)模型大賽的要求為：

1.作品應(yīng)力求有創(chuàng)造性，貼近實(shí)際、結(jié)構(gòu)合理、制作精巧。

2.參賽選手必須為土木類專業(yè)本科生。

3.完整的作品包括以下部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書、結(jié)構(gòu)制作圖、結(jié)構(gòu)模型。

4.每個隊比賽時間為8分鐘。

三、舉辦結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽的意義

1.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽的宗旨在于健全面向未來的教學(xué)體系，推崇科技先導(dǎo)，豐富校園學(xué)術(shù)氛圍，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加活潑，讓學(xué)生的課余活動更加充實(shí)和有意義。

2.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽是集理論與實(shí)踐于一體的綜合性測試，大賽模擬工程建設(shè)的幾大環(huán)節(jié)，從計算書編寫、材料選用到結(jié)構(gòu)模型制作、加載實(shí)驗和模型的實(shí)測，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)，鼓勵學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐，可以拓寬學(xué)生的知識面，增進(jìn)學(xué)生對專業(yè)知識的了解，為學(xué)生把書本知識綜合運(yùn)用于實(shí)踐提供了一個良好的平臺。

3.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽的每一參賽隊一般有3～4個人，可以由不同特長的學(xué)生組成（如第一屆比賽，我?！叭A夏6號”隊的成員中，有的擅長設(shè)計與計算機(jī)編程及軟件的使用，有的力學(xué)和專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)，有的動手操作能力很強(qiáng)，還有的臨場發(fā)揮穩(wěn)定），主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的組員之間的團(tuán)結(jié)與協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神，鍛煉組員之間群策群力的能力。

4.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽對學(xué)生能力的要求及素質(zhì)培養(yǎng)、訓(xùn)練是多方面的，整個設(shè)計大賽過程，完全按照一個工程設(shè)計人員的要求來進(jìn)行；參賽隊員提交的設(shè)計說明書、結(jié)構(gòu)方案圖，計算書要求必須規(guī)范并接近結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)際工作。面對這種實(shí)戰(zhàn)練兵，學(xué)生有作為一名土木工程師的責(zé)任感，可以通過優(yōu)秀的作品展示和檢驗自己課堂所學(xué)知識，同時也是對參賽選手意志力的一種考驗，使學(xué)生適應(yīng)當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

5.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽以學(xué)生為主體，每一個環(huán)節(jié)、每一個步驟都由學(xué)生自主獨(dú)立完成，高度激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，高度自覺的潛意識激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造潛力，使學(xué)生的主體意識高揚(yáng)，極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。而大賽題目的綜合性、系統(tǒng)性和靈活性也提升了學(xué)生的知識更新能力、信息處理能力、方案比選能力、觀察能力、操作能力、把知識和才智轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力以及分析問題和解決問題的能力。

四、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題

在每次參加“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽”前，我們均在校內(nèi)的土木工程專業(yè)進(jìn)行選拔，從中選出一到兩個模型參賽。對這入選模型，我們專門從結(jié)構(gòu)選型、模型設(shè)計與制作等方面進(jìn)行指導(dǎo)。如第一屆比賽“華夏6號”，在學(xué)校預(yù)選前，該隊同學(xué)已分別進(jìn)行過5次模型實(shí)驗，并依次完善結(jié)構(gòu)。最初的模型，結(jié)構(gòu)的兩片主桁架除上部用三根垂直于主桁的平行桿件相連外，在兩側(cè)則通過兩根交叉棉線將上弦桿與支點(diǎn)相連。這兩根棉線在加載時，一根受拉，一根受壓。而棉線只能抗拉，不能抗壓，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度明顯不足，使得在加載過程中，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)未達(dá)到豎向承載力而發(fā)生側(cè)向倒塌破壞。后來改為交叉桿件（用紙卷成的桿件）后，又由于上弦桿與支點(diǎn)之間距離較大，使兩片主桁的端斜桿（壓桿）因自由長度過大而產(chǎn)生面外失穩(wěn)。另外，原計算模型中的對荷載的模擬也有問題，導(dǎo)致最危險桿件判斷錯誤，計算結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生較大的誤差。經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善模型設(shè)計并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使最終的參賽作品“華夏6號”獲得了良好成績。在學(xué)校舉行預(yù)賽時，有一個拱型結(jié)構(gòu)模型，拱軸采用許多空心六面體構(gòu)件粘接而成，但由于這些構(gòu)件之間粘接不牢靠，導(dǎo)致粘接面抗剪能力較弱。在加載時，系桿（采用棉線）由于產(chǎn)生了一定的松弛，導(dǎo)致所產(chǎn)生的拉力較小，無法保證拱軸構(gòu)件之間產(chǎn)生足夠的壓力來抵抗剪切變形，最終在荷載較小的情況下，結(jié)構(gòu)倒塌破壞，使得結(jié)構(gòu)中看不中用。還有一個平行弦桁架模型，由于桁高較低，豎向剛度較小，結(jié)構(gòu)的變形很大，承載力很低，同樣缺乏競爭力?？梢?，一個成功的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，需要綜合應(yīng)用相關(guān)力學(xué)知識和土木工程專業(yè)理論，對桿系結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有較深刻的認(rèn)識。根據(jù)這次比賽并結(jié)合我們的工程實(shí)踐經(jīng)驗，我們認(rèn)為結(jié)構(gòu)模型設(shè)計和比賽中應(yīng)注意如下幾個問題：

1.充分了解材料的力學(xué)性質(zhì)。歷次比賽規(guī)定制作模型材料均為0號圖紙、棉線和乳膠。普通的棉線有較好的抗拉力，但松弛的現(xiàn)象比較突出。在模型制作中可以看到，前一天晚上綁緊的繩子，第二天早上就已松垮下來。平鋪的紙幾乎抗壓剛度，無法抗壓，所以利用圖紙來設(shè)計承受壓力的桿件，只有被卷成或折疊成一定形狀后才能發(fā)揮其承載力的作用。當(dāng)紙張大小一定時，可以卷成壁厚、直徑小的桿件，也可以卷成直徑大、薄壁的桿件，前者局部剛度大，但受壓后可能發(fā)生整體失穩(wěn)；后者截面慣性矩大，但可能發(fā)生局部屈曲而導(dǎo)致破壞?？梢?，各有利弊，要進(jìn)行綜合考慮才能確定截面參數(shù)。在結(jié)構(gòu)模型中，棉線只能單向受力，即抵抗拉力；而圖紙卷成的桿件可以雙向受力，既能用以抗拉，又能用以抗壓。這些特點(diǎn)都應(yīng)了解掌握，才能設(shè)計出承載力高的結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計。歷次比賽中，大部分模型采用拱結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)。從可以利用的材料角度看，這兩種結(jié)構(gòu)是較理想的結(jié)構(gòu)形式。因為只要設(shè)計合理，就可以充分發(fā)揮圖紙、棉線和乳膠的特長。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)不必要的零桿（否則會增加模型的重量）。結(jié)構(gòu)幾何尺寸中，盡量用大賽規(guī)定的最小寬度的下限，而高度則應(yīng)根據(jù)受力情況定（因為在同等重量的前提下，增加結(jié)構(gòu)高度比增加寬度，對提高結(jié)構(gòu)的承載力更有利）。另外，為了使結(jié)構(gòu)重量較輕，拉桿盡量采用棉線代替。要減少棉線的松弛現(xiàn)象，可以將棉線適當(dāng)張拉后用乳膠浸泡，待涼干后使用。

3.計算工具的選取。參賽模型基本上是超靜定結(jié)構(gòu)，其設(shè)計較靜定結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因為超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與截面幾何尺寸有關(guān)，而截面設(shè)計時又涉及到內(nèi)力，所以必須經(jīng)過反復(fù)試算，才能得到桿件截面的幾何尺寸。顯然，采用手算不太合適，否則將花大量的精力用于設(shè)計，精度也不好控制。為此，最好采用通用結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行設(shè)計。我們的參賽隊使用的“結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器”和MIADS軟件。這兩種軟件使用方便，操作簡單，帶前后處理功能，非常適合結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。首先用“結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器”進(jìn)行平面設(shè)計，確定幾何參數(shù)，再用MIADS軟件進(jìn)行空間計算，不斷優(yōu)化和完善結(jié)構(gòu)性能。

4.合理的力學(xué)模型。為了計算結(jié)構(gòu)的受力特性，必須確定合理的力學(xué)模型（即計算簡圖），包括正確的施加荷載，模擬實(shí)際加載情況，以保證內(nèi)力、位移和承載力計算結(jié)果的可靠性。

5.模型的制作。模型制作要精良，桿件的加工和整體拼裝工藝要可靠，以確保理論分析結(jié)果與實(shí)際情況相符合，否則模型的承載力將大打折扣。制作精良的功夫有待平時的訓(xùn)練，多動手、勤思考，才能熟練掌握制作技巧，獲勝的機(jī)率才大。

6.模型的加載。在比賽時，最關(guān)鍵的是模型的加載，加載選手必須做到膽大心細(xì)，沉著冷靜，配合默契，才能保證荷載的對稱性和穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)的承載力接近預(yù)先估計結(jié)果。

五、結(jié)語

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽是衡量高校土木工程辦學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的一個風(fēng)向標(biāo)，是開展“第二課堂”的一個較好方式，是檢驗創(chuàng)新、協(xié)作和實(shí)踐人才培養(yǎng)的一個較理想標(biāo)準(zhǔn)，對推動教學(xué)改革有著一定的意義。

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