论文部分内容阅读
摘要:模型竞赛鼓励充分发挥想象，挑战极限，竞赛模型的设计很少依据设计规范和工程实际，而工程实际中设计规范相对健全，两者在诸多方面存在差异，为探讨借鉴工程规范指导模型竞赛以及将竞赛设计模型运用到工程实际中的可能性。本文基于作者参加第四届全国大学生结构设计竞赛的体会，从六个不同的角度，对结构竞赛模型的设计和工程实际进行比较性研究。
关键字：结构竞赛模型设计；工程实际；比较性研究；差异；
Abstract: It is encouraged in structure model design contest(SMDC) to make full use of imagination and challenge the limit.Compared to engineering practice,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 into the engineering practice, the researchtaking the forth structure model design contest which author took part in as an example,the comparative study of SMDC and engineering practice has proceeded, in which six factors are focused on.
Key word:: Design of strutural contest model; Engineering practice; Comparative studies; Differences;
中图分类号： G0文献标识码：A 文章标识码：
一、 前言
大学生结构模型设计竞赛是近20年来在国内各高校普遍开展的一项影响较大的大学生课外学科性竞赛活动。结构模型设计大赛在一定程度上激发了大学生的创新思维，锻炼了学生的动手能力、实践能力和综合素质，但是这样的结构模型竞赛存在一定的不足，设计模型的时候很少依据工程规范和工程实际经验，设计出的作品不能直接用于工程实际，这种单纯的为了竞赛而竞赛，不服务于实践的模型设计，一定程度上给设计人员造成了误解，同时也对社会有限的资源造成了浪费。所以关于模型竞赛与工程实际的问题值得做深入的研究。本文就以作者亲身参加的第四届大学生结构设计大赛为例，从六个不同的角度进行比较分析。第四届结构设计大赛的题目是体育场悬挑屋盖，所使用的材料是桐木。
二、 结构模型竞赛与工程实际的比较性研究
（1）荷载组合和荷载工况角度的比较性研究
结构在工程实际中所受的荷载是多种多样的，而这些荷载会有不同的荷载组合，在结构设计中要考虑各种可能出现的荷载组合，例如在PKPM中，当采用空间结构进行建模的时候，系统默认的荷载组合就有几十种，这还不包括设计者自己定义的各种组合，如果设计者有必要进行荷载组合的自定义，那么一个结构的荷载组合可能会多达上百种。此次结构模型竞赛中，加载的荷载有重1.88kg的加载条，视为静载，且为刚性荷载；和风速为9m/s和12m/s的风荷载，视为动载。加载的过程显示，该模型的荷载组合只有三种：1、静荷载 + 模型自重；2、模型自重 + 9m/s风荷载；3、模型自重 + 12m/s风荷载。由此可见，工程实际中和模型竞赛中的荷载组合存在较大差异。
（2）材料设计强度角度的比较性研究
木材的材料强度受到持荷时间的影响，以木材抗弯强度为例，如果持续长时间施加荷载，木材的强度就会变低。假设在静力加载实验中的标准强度为100%，那么荷载持续时间1年，强度就会下降33%，荷载持续时间50年，强度就会下降60%。工程实际中为使结构荷载作用的时间无论多长木材都不致破坏，木结构设计以木材的长期强度为依据。但是模型竞赛中，结构的设计是以瞬时强度为依据的。瞬时强度要大于材料的长期强度。例如：顺纹受压的长期强度大约仅为瞬时强度的0.5～0.59，顺纹受拉的长期强度大约为瞬时强度的0.5，静力弯曲的长期强度大约为瞬时强度的0.5～0.64，顺纹受剪的长期强度大约为瞬时强度的0.5～0.55[2]。工程实际中的结构设计要考虑设计基准期和设计使用年限，木材的强度设计值需要根据不同的设计使用年限取不同的调整系数。但是，在模型竞赛中，由于模型是短期制作短期加载，不用考虑材料设计强度与设计使用年限之间的关系，也就不用考虑强度设计值的调整系数。
（3）控制点选取角度的比较性研究
此次竞赛中，控制点位于距悬挑屋盖前缘35mm，距两侧100mm的地方，通过测量这两个点的位移来判定结构的刚度。加载的荷载条为刚性的，故能使模型结构整体共同工作；而在工程实际中，当采用空间相互作用较小的结构体系时，各榀结构之间荷载一般按负荷面积进行分担的。模型竞赛中，只控制加载条处主结构的竖向变形，而不对结构的抗扭转变形能力、屋面檩条、屋面板的刚度进行控制，从而在比赛中出现了大量模型的变形最大点不在加载条处的情况、屋面檩条的刚度严重不足，根本起不到对屋面板进行支承的作用、个别构架长细比偏大，试验中出现振动。但是，在工程实际中，须对正常使用极限状态下主结构、檩条、屋面板的挠度进行控制，同时也对结构构件的长细比进行控制。
（4）结构功能角度的比较性研究
设计任何建筑物或构筑物，必须在其设计使用年限内，满足安全性、适用性和耐久性的要求。此次结构模型竞赛的考核指标中，质量轻是一个很关键的因素。但是过分追求质量轻，不能保证安全性的要求。此外，过轻的质量对于结构的刚度和挠度是十分不利的，这就不能保证结构的适用性要求。其次，比赛中判断模型损坏的标志为模型任何构件（包括覆面材料）或连接发生明显破损。但是在工程实际中，结构构件不止不能出现明显的破损，还必须保证结构在正常使用时具有良好的工作性能，即使结构构件没有出现明显的破损，也有可能导致其不满足这一要求，比如结构的受弯构件出现过大的挠度或者过宽的裂缝。所以，在工程实际中，出现明显破坏显然不能作为判断结构破损的标志，其标准要更为严格。再次，如前所述，模型竞赛中考虑的荷载组合和荷载工况相对来说显得简单，按照模型竞赛的要求进行设计和制作的结构模型，可能会导致模型不满足结构的安全性和适用性要求。
（5）截面类型角度的比较性研究
工程实际中，常用的构件截面形式有矩形、圆形、环形、H形、工字形、格构式、槽形等。以实心矩形、圆形截面和空腹矩形、圆环截面为例，假设截面的面积A都为10000mm2，通过计算得知空腹薄壁矩形截面的惯性矩、截面系数和回转半径都是最大的，所以空腹薄壁矩形截面的受力性能在这三者中是最好的，实心圆形截面次之，实心矩形截面最差。此外，空腹矩形截面不仅在受力性能上优于其他两种，在质量上也比其他两种轻得多。
（6）结构选型角度的比较性研究
结构选型就是根据材料特性、加载要求等，确定符合力学原理、美观、便于制作、轻质高强的结构模型。不同的比赛对结构的受力要求各不相同，比如高层，桥梁，屋盖等，结构体系需视具体情况分析选择[3]。在结构选型的原则方面：工程实际中，结构选型考虑的荷载是多种多样的，而模型竞赛中，要考虑的荷载只是竞赛规定加载的荷载；模型竞赛中对于创新性的要求较高，可能会忽略某些实际工程中要考虑的因素；工程实际中结构选型要与建筑选型紧密结合，在结构选型的时候要充分考虑建筑的功能、造型的要求，而在竞赛模型中，则不用考虑建筑的因素，只需要按照竞赛的规定选择合理的结构形式即可。
三、结论
结构竞赛模型设计虽属于结构设计，但与工程实际存在一定的差异：1、结构模型设计竞赛在荷载组合和荷载工况在数和量上考虑得较为简单和单一，与工程实际不符。2、竞赛中对于材料强度的考虑不全面，且结构可靠度的选取要低于工程实际中可靠度的值。所以，竞赛中材料设计强度可提高使用。3、结构竞赛中控制点的选取比较片面，工程实际中的控制指标更全面。4、模型竞赛中由于还要考虑考核指标、成绩等因素，可能导致制作出的模型与工程实际建造出的结构在功能方面存在一定的差异。5、模型竞赛中和工程实际中构件常用的截面类型有些是相同的，但是由于竞赛材料和时间等因素的限制，工程實际中常用的性能良好的一些截面类型无法在模型竞赛中使用。6、现行结构设计规范可以用于指导结构模型设计竞赛，但是由于竞赛材料等的局限性，可以对结构的连接方式、结构的选型等做相应的改变。
关键字：结构竞赛模型设计；工程实际；比较性研究；差异；
Abstract: It is encouraged in structure model design contest(SMDC) to make full use of imagination and challenge the limit.Compared to engineering practice,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 into the engineering practice, the researchtaking the forth structure model design contest which author took part in as an example,the comparative study of SMDC and engineering practice has proceeded, in which six factors are focused on.
Key word:: Design of strutural contest model; Engineering practice; Comparative studies; Differences;
中图分类号： G0文献标识码：A 文章标识码：
一、 前言
大学生结构模型设计竞赛是近20年来在国内各高校普遍开展的一项影响较大的大学生课外学科性竞赛活动。结构模型设计大赛在一定程度上激发了大学生的创新思维，锻炼了学生的动手能力、实践能力和综合素质，但是这样的结构模型竞赛存在一定的不足，设计模型的时候很少依据工程规范和工程实际经验，设计出的作品不能直接用于工程实际，这种单纯的为了竞赛而竞赛，不服务于实践的模型设计，一定程度上给设计人员造成了误解，同时也对社会有限的资源造成了浪费。所以关于模型竞赛与工程实际的问题值得做深入的研究。本文就以作者亲身参加的第四届大学生结构设计大赛为例，从六个不同的角度进行比较分析。第四届结构设计大赛的题目是体育场悬挑屋盖，所使用的材料是桐木。
二、 结构模型竞赛与工程实际的比较性研究
（1）荷载组合和荷载工况角度的比较性研究
结构在工程实际中所受的荷载是多种多样的，而这些荷载会有不同的荷载组合，在结构设计中要考虑各种可能出现的荷载组合，例如在PKPM中，当采用空间结构进行建模的时候，系统默认的荷载组合就有几十种，这还不包括设计者自己定义的各种组合，如果设计者有必要进行荷载组合的自定义，那么一个结构的荷载组合可能会多达上百种。此次结构模型竞赛中，加载的荷载有重1.88kg的加载条，视为静载，且为刚性荷载；和风速为9m/s和12m/s的风荷载，视为动载。加载的过程显示，该模型的荷载组合只有三种：1、静荷载 + 模型自重；2、模型自重 + 9m/s风荷载；3、模型自重 + 12m/s风荷载。由此可见，工程实际中和模型竞赛中的荷载组合存在较大差异。
（2）材料设计强度角度的比较性研究
木材的材料强度受到持荷时间的影响，以木材抗弯强度为例，如果持续长时间施加荷载，木材的强度就会变低。假设在静力加载实验中的标准强度为100%，那么荷载持续时间1年，强度就会下降33%，荷载持续时间50年，强度就会下降60%。工程实际中为使结构荷载作用的时间无论多长木材都不致破坏，木结构设计以木材的长期强度为依据。但是模型竞赛中，结构的设计是以瞬时强度为依据的。瞬时强度要大于材料的长期强度。例如：顺纹受压的长期强度大约仅为瞬时强度的0.5～0.59，顺纹受拉的长期强度大约为瞬时强度的0.5，静力弯曲的长期强度大约为瞬时强度的0.5～0.64，顺纹受剪的长期强度大约为瞬时强度的0.5～0.55[2]。工程实际中的结构设计要考虑设计基准期和设计使用年限，木材的强度设计值需要根据不同的设计使用年限取不同的调整系数。但是，在模型竞赛中，由于模型是短期制作短期加载，不用考虑材料设计强度与设计使用年限之间的关系，也就不用考虑强度设计值的调整系数。
（3）控制点选取角度的比较性研究
此次竞赛中，控制点位于距悬挑屋盖前缘35mm，距两侧100mm的地方，通过测量这两个点的位移来判定结构的刚度。加载的荷载条为刚性的，故能使模型结构整体共同工作；而在工程实际中，当采用空间相互作用较小的结构体系时，各榀结构之间荷载一般按负荷面积进行分担的。模型竞赛中，只控制加载条处主结构的竖向变形，而不对结构的抗扭转变形能力、屋面檩条、屋面板的刚度进行控制，从而在比赛中出现了大量模型的变形最大点不在加载条处的情况、屋面檩条的刚度严重不足，根本起不到对屋面板进行支承的作用、个别构架长细比偏大，试验中出现振动。但是，在工程实际中，须对正常使用极限状态下主结构、檩条、屋面板的挠度进行控制，同时也对结构构件的长细比进行控制。
（4）结构功能角度的比较性研究
设计任何建筑物或构筑物，必须在其设计使用年限内，满足安全性、适用性和耐久性的要求。此次结构模型竞赛的考核指标中，质量轻是一个很关键的因素。但是过分追求质量轻，不能保证安全性的要求。此外，过轻的质量对于结构的刚度和挠度是十分不利的，这就不能保证结构的适用性要求。其次，比赛中判断模型损坏的标志为模型任何构件（包括覆面材料）或连接发生明显破损。但是在工程实际中，结构构件不止不能出现明显的破损，还必须保证结构在正常使用时具有良好的工作性能，即使结构构件没有出现明显的破损，也有可能导致其不满足这一要求，比如结构的受弯构件出现过大的挠度或者过宽的裂缝。所以，在工程实际中，出现明显破坏显然不能作为判断结构破损的标志，其标准要更为严格。再次，如前所述，模型竞赛中考虑的荷载组合和荷载工况相对来说显得简单，按照模型竞赛的要求进行设计和制作的结构模型，可能会导致模型不满足结构的安全性和适用性要求。
（5）截面类型角度的比较性研究
工程实际中，常用的构件截面形式有矩形、圆形、环形、H形、工字形、格构式、槽形等。以实心矩形、圆形截面和空腹矩形、圆环截面为例，假设截面的面积A都为10000mm2，通过计算得知空腹薄壁矩形截面的惯性矩、截面系数和回转半径都是最大的，所以空腹薄壁矩形截面的受力性能在这三者中是最好的，实心圆形截面次之，实心矩形截面最差。此外，空腹矩形截面不仅在受力性能上优于其他两种，在质量上也比其他两种轻得多。
（6）结构选型角度的比较性研究
结构选型就是根据材料特性、加载要求等，确定符合力学原理、美观、便于制作、轻质高强的结构模型。不同的比赛对结构的受力要求各不相同，比如高层，桥梁，屋盖等，结构体系需视具体情况分析选择[3]。在结构选型的原则方面：工程实际中，结构选型考虑的荷载是多种多样的，而模型竞赛中，要考虑的荷载只是竞赛规定加载的荷载；模型竞赛中对于创新性的要求较高，可能会忽略某些实际工程中要考虑的因素；工程实际中结构选型要与建筑选型紧密结合，在结构选型的时候要充分考虑建筑的功能、造型的要求，而在竞赛模型中，则不用考虑建筑的因素，只需要按照竞赛的规定选择合理的结构形式即可。
三、结论
结构竞赛模型设计虽属于结构设计，但与工程实际存在一定的差异：1、结构模型设计竞赛在荷载组合和荷载工况在数和量上考虑得较为简单和单一，与工程实际不符。2、竞赛中对于材料强度的考虑不全面，且结构可靠度的选取要低于工程实际中可靠度的值。所以，竞赛中材料设计强度可提高使用。3、结构竞赛中控制点的选取比较片面，工程实际中的控制指标更全面。4、模型竞赛中由于还要考虑考核指标、成绩等因素，可能导致制作出的模型与工程实际建造出的结构在功能方面存在一定的差异。5、模型竞赛中和工程实际中构件常用的截面类型有些是相同的，但是由于竞赛材料和时间等因素的限制，工程實际中常用的性能良好的一些截面类型无法在模型竞赛中使用。6、现行结构设计规范可以用于指导结构模型设计竞赛，但是由于竞赛材料等的局限性，可以对结构的连接方式、结构的选型等做相应的改变。