1、大学生结构设计竞赛经验漫谈 吴小亮 洪磊 全国大学生结构设计竞赛是国家教育部批准的 9 个大学生竞赛资助项目之一，大赛旨在培养大学生的创新意识与合作精神，提高大学生的创新设计能力和动手实践能力。大赛自举办以来，得到了全国各大高校相关专业师生的广泛关注。 笔者有幸参加了两届校级结构设计竞赛，并代表学校参加了第二届全国大学生结构设计竞赛。作为比赛的参与者，我们现将关于比赛的相关认识和经验略作总结，供各位参考。 第 1 节 理论准备 作为一项极具启发性、创造性和挑战性的科技竞赛，大学生结构设计竞赛既考验参赛者的结构设 计知识，又锻炼大家的动手实践能力，并在竞赛过程中，考验参赛大学生的综合素质。 一个
2、优秀的竞赛作品，必然是参赛者准确把握命题要求、正确运用理论知识、精确进行模型制作的结晶。 1.1审题 细致准确、有的放矢 由于受比赛时间、材料等条件限制， 大学生结构设计竞赛往往突出 “ 结构概念设计 ” 的要求 。参赛选手一般只需在符合题目要求的前提下，从满足结构承载能力的角度进行构思和设计即可。 要做到 “ 符合题目要求 ” ，就需要我们充分了解要求，准确把握比赛规则。只有 “ 审 ” 好了题，才能做到有的放矢，更好地指导模型设计与制作。 首先，在 结构设计之前，参赛者应认真阅读比赛章程。 比赛章程是对比赛相关事宜的详细阐述。我们除了要准确了解参赛对象、比赛进程等规定外，更应该对命题要求、
3、理论设计、加载方式、破坏指标、评分标准等核心内容做细致分析。以桥梁结构模型设计为例，通过阅读比赛章程，我们至少需提炼以下五点信息： 模型尺寸 在 比赛章程 中， 一般 会给出模型尺寸的限值。当未 直接给出 限值时 ， 可 通过加载条件间接加以 确 定。如对于桥梁长度而言，过短不利于加载平台的有效支承，过长则增加结构自重；对于高度而言，过小不利于结构竖向刚度的保证，过高则影响加载试验，也增 加了结构的自重；对于宽度，一般受车道条件和加载方式的限制。因此，模型的尺寸应保持在一定范围内， 通过理论分析和模型试验取得各方面的平衡。 支承形式 支承形式对结构设计的影响很大，直接关系到模型的结构形式和理论
4、分析。为此，我们需要关注 “ 加载平台是否提供有效的水平约束 ” 。一般的竞赛只提供竖向支承，而水平约束则较弱，甚至不提供。因此，对于悬索和有 水平推力结构，往往受该条件限制而无法运用，此时应考虑采取其他方式，如系杆拱等。 几何净空 这在实际工程中极为重要，对于模型设计，一般也会限定其净空要求，但往往被很多参赛 者忽略。对于承受移动荷载加载的桥梁模型，净空大小直接关系到模型是否能够顺利加载。 加载方式 包括载荷形式、布载方式、加载流程、最大载荷等。 对于静载试验，一般用砝码或者其他代替的重物（沙包、铁块等）进行加载； 对于动载试验，一般采用具有一定重量的牵引式可移动小车进行加载。 评分标准 一
5、般分为造型设计、理论计算、制作工艺、现场答辩、加载试验等方面。其中加载试验是比重最大的指标，通常占 50 60 分，其他指标则各有侧重。从比赛经验来看，最终影响竞赛成绩也大多是加载试验指标，因此，参赛者务必在加载环节上进行 足够仔细的研究。 其次在整个模型设计与制作过程当中，参赛者应反复进行规则审读和讨论，对于不太明确的细节则务必 在模型制作前 向组委会进行询问并获得明确答复，避免因对规则误解而导致无法参赛。 1.2选型 概念清晰、思维创新 选择正确的结构型式，即 “ 结构选型 ” ，是取得优异成绩的前提。一个好的结构型式，不仅体现了选手清晰明确的力学概念，还可以很好地表达作者的设计构思，也必
6、然体现作者的创新思维。 结构选型一般从命题要求出发，再结合结构专业知识，通过比较、分析、计算、试验等，确定模型的结构型式。为此，参赛者应在设计之前 ，通过查阅资料，了解、补充和学习相关知识。 对于桥梁结构体系来说，一般分为梁桥、拱桥、悬索桥及组合体系四类。而结构竞赛中经常采用的就是梁桥和拱桥两种。 从全国各高校的比赛情况来看，大多数模型均采用空腹式梁桥 桁架桥结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好，而且可以通过变 桁 高来实现竖向抗弯刚度沿桥长 方向 的变化，从而最大程度减轻结构自重。 当然在结构选型时，我们更应该充分结合比赛实际，发散思维，大胆创新，这也是大赛精神的要求
7、。 以第二届全国大学生结构设计竞赛为例，大连理工大学的参赛作品则采 用了实腹式的梁桥 （ 蒙皮结构 ） ，这是 纸质 模型桥式上的 大胆尝试 ，这在下文还将做详细阐述。 1.3设计 循序渐进、逐个击破 、 因材施 用 在准确审读竞赛要求、基本确定结构型式之后，接下来一个核心环节就是结构设计。参赛者主要依据结构设计基本原理，针对加载条件的要求和限制，进行合理的结构布局设计。 结构设计是一个循序渐进的过程，它不是一蹴而就的，也不是一成不变的，而是需要在整个竞赛 准备 过程不断进行优化和改进的。同时，参赛者应结合材料的不同力学性能，做到 “ 因材施教、物尽其用 ” 。 所谓 “ 循序渐进 ” ，一方
8、面要求设计者在命题要 求的基础上进行 ， 根据不同的材料性能和受力特性，设计不同的构件截面。如主桁上弦杆主要受压，并承受局部集中荷载，显然不能采用硫酸纸，而必须采用白卡纸杆件，同时由于构件抗弯的需要，可将受弯杆件截面设计成抗弯惯性矩较大的矩形、圆形、 T形等形状；对于受拉下弦，则可充分利用硫酸纸或白卡纸的抗拉强度，采用单层或多层叠合纸带，从而减轻下弦自重。 所谓 “ 逐个击破 ” ，即 “ 由果及因、由体及面、由局部及整体 ” 的设计思路。以承受荷载的桁架梁桥模型为例。当荷载作用于跨中时，一般简支梁承受最不利荷载，此时的弯矩图呈倒三角形的形式。显然跨 中截面最可能发生破坏，由此我们最直接的结论
9、是 “ 加大跨中截面的竖向抗弯刚度 ” 。 为 了能最大程度地减轻结构自重，初步设计时我们应着重考虑的问题是“ 如何使结构的竖向抗弯能力与其最不利弯矩相适应？ ” 从这个角度出发，再结合结构抗弯刚度的概念，即可以设计出沿桥长变高度的各种桥梁形式。对于动荷载试验的模型，除了类似于静载模型的抵抗弯矩图概念外，我们着重关心的问题是 “ 如何实现动载小车平稳顺利地通过桥面？ ” ，进而思考围绕这一问题的一系列具体问题，如主梁与车轮的位置关系、桥面系的设计、桥面的铺设、桁架桥主桁与桥面系的关系、拱桥 拱肋与桥面系的连接等等。此外，就是杆件设计问题。一方面我们应根据不同的受力特点，确定不同杆件的截面形式与
10、连接设计，从而尽可能降低自重；另一方面，又要考虑到模型制作的可操作性、材料性能的不确定性等。 1.4计算 正确简化、指导实践 初步设计之后，就要开始对模型进行理论分析与计算。实际制作的模型在材料性能、支座条件、节点力学性质等方面具有局限性，因此，我们需要对计算模型进行了下列简化和假定，如 采用空间梁单元模拟桁架结构、荷载简化、不考虑桥面板参与受力等。 应该承认，简化和假定会必然会带来计算误差。但从理论指导 实践这个角度上说，这种简化计算又是合理的，误差也是可以接受的。 理论计算一般又分为手算和电算两个方面。手算一般根据力学基本原理进行简单的受力分析，如荷载简化、拉压杆件概念分析等；电算则是运用
11、计算机软件进行结构详细分析，推荐使用 SAP2000 及 MIDAS 结构分析软件。 需要强调的是，理论计算必须在模型制作之前就要进行。这是因为，只有经过了计算，才能明确结构各部分的受力性能，进而采用不同的杆件截面及杆件连接方式。如哪些腹杆是受拉杆件？哪些杆件受力最大？哪些节点最危险等。在制作时对这些基本概念了然在胸，可以极大地 提高模型制作效率。 以上是对于结构竞赛几个理论环节的要点概述，在完成上述步骤之后，理论工作基本结束，接下来就进入十分关键的实践环节。 第 2 节 模型制作 俗话说 “ 成也萧何，败也萧何。 ” 一个优秀的结构模型，如果没有精细的制作工艺，不管理论设计再怎么完善也将无法
12、付诸实践。这也是大学生结构设计竞赛区别于一般竞赛的地方。 模型制作水平在很大程度上依赖于参赛者的手工技巧。虽然并不是每个参赛者都有精巧的手工，但正所谓 “ 熟能生巧 ” ，只要多进行尝试，不断总结经验，就能不断提高制作水平。 现就我们三年来的比赛经历，跟各位同学 分享一些模型制作的基本方法。 2.1材料性能 大学生结构设计竞赛是以培养同学们正确进行结构概念分析、锻炼理论联系实际能力的学生科技赛事，其模型制作材料必然力求轻便、价廉和易加工，同时又能适当接近实际土建材料的性能，因此多采用具有一定拉压强度的纸、木材、塑料管、有机玻璃等。 2.1.1白卡纸 1) 质量 ：一般采用 230 克巴西白卡纸
13、，即每张 A0幅面 的纸重 230 克 。 根据组委会具体采购的不同，其实际质量从 210g 至 250g 不等，可别小看这个数字，这种差异对模型的自重及强度影响是很大的。较轻的纸厚度必然较小，一般偏软；较 重则厚度较大，偏硬。一般以 230g 白卡纸为宜。 2) 硬度 ：有些纸偏硬，不易于卷杆；有些纸偏柔，强度较差，特别是吸潮 之后，其强度急剧下降。 3) 纹路 ：仔细观察白卡纸会发现，每张白卡纸有顺纹和逆纹的差别。 一般来说，沿长边方向是顺纹，沿短边方向是逆纹。二者对于模型制作是有影响的。一般说来， 沿顺纹剪裁要方便得多，同时，若使杆件的长度方向顺纹，则在卷杆时较为顺手，且杆件质量容易保证
14、。 4) 粗糙度 ：白卡纸分光滑面与粗糙面。显然粗糙面摩擦系数大，粘结效果较好；光滑面美观性较好，且不易弄脏，即使有污点也可以用拧干的湿布轻轻擦拭 干净。一般卷杆时，光面朝 外 。 5) 强度 ： 白卡纸强度是一个很复杂的问题，一般不易直接测量，而是做成 杆件进行试验。 6) 吸湿性 ：白卡纸极易受潮，空气湿度大时其强度明显降低，且受荷后变 形不稳定，类似于混凝土的 “ 徐变 ” 现象；但若空气过于干燥，则杆件很容易因局部小瑕疵而发生突然破坏 (尤其是对于节点处 )，类似于实际工程中的脆性破坏。 7) 分层： 单层白卡纸是由三层不同的纸经过胶合形成的。有时候可以充 分利用这个特点进行适当的剥离
15、，从而减轻自重。 2.1.2硫酸纸 硫酸纸较薄，一般不能卷成管型构件，但其抗拉强度很高，一般可用于制 作纯受拉构件，如桁架下弦杆等。窄条状的硫酸纸还可以代替蜡线用于节点绑扎，即牢固又较为美观。 此外，硫酸纸还可以用于制作非受力构件。在建筑模型设计中，一般也用作屋面板、建筑外墙等构件，此时硫酸纸不仅是美观的需要，还可以将结构连成一个整体，产生意想不到的力学效果 “ 蒙皮效应 ” 。 2.1.3白乳胶 白乳胶是结构设竞赛中最为常见的水溶性粘接剂，无毒无害。使用时主要注 意的问题是乳胶的浓度： 若 太稀， 则 含水分较多，凝固时间长，粘接效果也受影响； 若 太稠， 则 粘结不牢，对自重的影响也较大。
16、 对于纸质模型，一般采用较稀薄的乳 胶，尤其是卷杆使用的乳胶应尽量稀薄，这样既可以保证涂抹的均匀性，又能减轻结构自重。根据实际需要，可将适量原装乳胶倒入一个干净的纸杯（取矿泉水瓶底部分最佳），然后倒入适量的纯净水，一般以乳胶能呈细线状均匀、迅速流下为宜，搅拌均匀后即可使用，务必随配随用，不可放置太久，使用完毕后应将纸杯及时清洗干净，以便下次调配。 对于木材，建议使用较为浓稠的乳胶。 2.1.4木材 木材均匀性较差，各参赛队使用的材料差别很大，即便是统一采购也有加工损伤、木材品种不一等缺点。此外，受木材特性的限制，节点拼接形式简单、加工较为困难 。 2.1.5蜡线（铅发丝线） 蜡线作为纯抗拉材料
17、，一般用于受拉杆件的辅助设计，索结构也较为常见，亦可用于节点绑扎。但蜡线弹性一般较窄条状纸带大，故对于有变形要求的结构来说，用蜡线直接作为受拉构件的效果并没有纸带好。 2.2工 具配备 结构模型制作中常用的工具主要有： 2.2.1制图工具 1) 丁字尺、三角板、圆规 在进行纸张剪裁之前，需使用制图工具进行构件尺寸的量取和绘制，以确保剪裁的顺利进行。 2) 画图板 制图时使用，此外在刻划、制杆、拼装时，画图板一般可用作加工平台，但应确保其不被刀刃损伤。 3) 铅笔、橡皮、旧圆珠笔 芯 白卡纸上的各种界线、数字、符号等，均用铅笔进行标记，以保证作品的整洁；旧圆珠笔芯用于刻划各构件的折痕。 2.2.
18、2剪裁工具 1) 美工刀 用于裁剪白卡纸、加工木材等，建议选用刀片较宽厚的型号，以保证在 刻划时刀片不发生扭转。一般新买的美工刀第一段刀片有一缺口，使用时易损伤手指，故建议将其折断。一般美工刀的刀片上有划线，当刀锋钝化时可将该段刀片至于刀柄后的刻槽中折断，出现新的刀锋，以便继续使用。 2) 剪刀 一般选用刀口较小的美工剪，用于剪断蜡线、剪割尺寸较小的纸片等，而对于卷杆使用的白卡纸底料，建议采用美工刀沿尺子 边缘刻划，以保证纸片边缘尽量 光洁 平直。 2.2.3制杆工具 1) 杆芯 制作封闭截面纸杆的工具，一般根据所设计结构的各种截面尺寸配备相应截面的杆芯。圆杆较为常用的有 6 、 8 、 10
19、 三种，建议使用铅质或铝质实心杆件，一般长度为 1m 左右（建材市场有零售）；矩形杆件常用的有 55 、58 、 610 等，一般为木材，但很难保证平直，有条件的可购买装潢使用的龙骨或线条然后用电刨加工至适当尺寸。 2) 刷子 涂抹白乳胶时使用，一般应配备两种大小的刷子，使用后应及时置于清水中浸泡。 3) 电吹风 用于迅速凝固白乳胶，保证杆件及节点很快达到一定的强度。使用时务必保证构件均匀受热。对于长度较大的杆件，建议置于报纸围成的 管 道中，然后用电吹风在一端进行加热，一定时间后从另一端加热。 4) 砂纸 用途广泛，一般可用于打磨杆芯，磨除锈迹、毛刺并保证其整洁；粘接时，打磨白卡纸光面，增大
20、摩擦系数；打磨不必要的凝固白乳胶，保证构件表面整洁；打磨杆件棱角，形成必要的弧形粘接面，减小损伤；对于木材结构则可用砂纸修饰、打磨成品，保证美观等等。 2.2.4拼装工具 1) 橡皮筋： 同一尺寸纸杆应用橡皮筋绑扎成捆，避免混淆，便于拼装。 2) 夹子 ：在木材杆件的节点达到期望强度之前，务必使用夹子进行固定。 3) 透明胶： 可用于临时性的固定措施。 4) 图钉： 用于制作拼装 “ 支架 ” ，特别是对于拱形结构而言，一个稳固的“ 支架 ” 可以保证拼装过程的顺利进行。 2.3 纸质模型 制作工艺 2.3.1制 图 与实际工程一样，结构模型制作也需要结构施工图。因此，模型制作的第一步应先绘制
21、一张准确的 “ 施工图 ” 。 “ 施工图 ”宜 在多余白卡纸的光面上绘制，一般为单片主桁架或主拱结构的计算简图，比例为 1： 1，并标注各构件的实际长度及结构总长度和总高度。建议对各构件进行编号，相同尺寸的构件编号应 一致。 2.3.2号料 根据施工图尺寸并适当考虑节点拼装用料，计算出各构件所用纸片大小，然后在白卡纸上用铅笔绘制剪裁尺寸。 号料的关键是准确计算出每根构件的用纸大小。 对于圆杆，考虑到制作上的方便，一般将每根杆件按其展开图 矩形，剪裁后进行卷制。如前所述，杆件长度方向与白卡纸天然纹理方向保持一致，故该方向长度即为所制杆件的长度；垂直纹理方向为卷纸方向，该方向的尺寸可参照下式计算
22、： L=n d1+0.3 n(n-1) + 式中， n 白卡纸层数； d1 杆芯直径； 预留值，一般取 2mm 至 3mm。 这只是一个经验公式，参赛者应根据实际情况计算。最为实用的方法是：先试着卷一根杆件（不涂胶），然后再展开直接量取相应尺寸，然后考虑白乳胶的影响确定 L。对于矩形杆件，则一般只需剪取长度后即可。 2.3.3卷杆 1) 圆形截面杆件 (以内径为 8mm 的三层杆件为例 ) a) 将裁剪好的矩形纸片置于 整洁 的工作平台上 ， 用三角板在纸片的两面精确绘制垂直于杆件长度方向的中轴线作为控制线，务必保证二者完全重合，然后将 光面朝 下 放置 。 b) 选择 8 的 杆芯，将 其平
23、行于杆件长度方向置于白卡纸靠身体内侧一端，然后慢慢将白卡纸卷起四分一圈，用大拇指自杆芯 中间向两端慢慢摁紧卷起的白卡纸，然后十个手指均轻压纸片、同步向前滚动杆芯。当卷起的纸片边缘接触内侧白卡纸时，再用大拇指和食指摁紧杆芯自中间向两端滑动，确保第一层白卡纸与杆芯紧密接触而无空隙，接着俩大拇指紧压杆芯，其他手指则尽量抵紧杆芯内侧，继续慢慢滚动杆芯，使第二层白卡纸紧紧压住第一层纸的边缘，此时应调整杆芯的方向，确保白卡纸上的控制线对齐。 c) 继续匀步滚动杆芯，并始终确保纸片全长与杆芯紧密接触，控制线也尽可能对齐，直至卷完。 d) 以上为试卷过程，松开杆芯，仔细观察白卡纸是否有明显伤痕，若试卷过程感觉
24、纸张较硬，可 用拧干的湿布轻轻擦拭白卡纸，使其稍微软化。 e) 正式卷杆时，过程同上，但需一边卷杆，一边均匀涂抹白乳胶，建议由两位组员合作完成。在最后一圈时，应将白卡纸最末端置于杆芯底部，然后卷杆者用食指和拇指紧压杆芯，并保持不动，等最末端与内层白卡纸充分粘结后，再将杆芯连带纸杆一起用电吹风均匀加热 20 秒左右，然后轻轻地滑动纸杆，避免其与杆芯粘结而导致无法取下。如此加热 1到 3 分钟后，将纸杆从杆芯一端轻轻取下。 f) 圆杆制作是一个较为复杂的过程，质量不容易保证，故建议在需要杆件数目的基础上多做 2 根，择优选用。 2) 矩形截面杆件 a) 准备 工作同上，不同的是，当 杆芯平直地放于
25、白卡纸上，用旧圆珠 笔芯沿杆芯棱边刻划 第一条 折痕 ， 注意笔芯要垂直于白卡纸、用力应轻微均匀，并保证刻划时杆芯不要移动； b) 将白卡纸沿折痕翻折至 90 ，然后将杆芯也翻转 90 ，沿新的棱边刻划，如此重复； c) 在卷第二层的时候，应在白卡纸上涂以适量的白乳胶，并用杆芯轻压至基本粘合后进行下一步翻折，直至卷出合适层数的杆件； 用美工刀小心地将所卷杆件从白卡纸上刻划成品。 d) 将成形的纸杆用橡皮筋进行绑扎固定，用电吹风进行烘干至各层之间基本粘接且无裂缝，然后置于空旷通风处自然风干 。 3) 箱形截面杆件 以单箱双室截面为例，有两种不同的制作方法： a) “预制法” ：先预制两根小截面矩
26、形或方形杆件，然后将二者粘结在一并外包白卡纸。该方法操作方便，不足之处是：外包白卡纸很难与内侧两根小截面杆件紧密粘结。 b) “现浇法” ：先卷一根小截面杆件，在最后一圈时并不从将其刻划下来，而是将另一个合适的杆芯与之并排放置，然后将二者作为一根新的特殊的杆芯继续卷杆，直至卷成所需尺寸和层数的杆件。该方法制作的杆件整体性能较好，不足之处是：需在制作之前设计好该杆件四个侧面所需的白卡纸层数，并确定先卷的是哪个侧面。 4) 拱形杆件 受材料及手工限制 ，拱形杆件一般只能采用拼接法制作，类似于实际工 程中“曲梁直做”的施工工艺。根据拼接工序的不同，又可分为以下两种： a) 全拼法 ：即将弧形拱圈分割
27、成长度及数目合适的直杆弦段，然后用 白乳胶粘结，一般需在拼接处内插小直径拼接短杆。该方法制成的拱肋整体性较差，节点多，美观性也较差；但工序简单、操作方便； b) 半拼法 ：即先卷成一根较长的直杆“拱肋”，然后在拱肋内侧适当位 置剪出小的缺口，形成笛子状的“直拱肋”，然后将缺口两侧的杆件进行粘结，形成拱形杆件。该方法制成的拱肋整体性能较好，美观程度较高，但工序复杂，需要结合腹杆节 点合理分割缺口，手工技巧要求较高。 以上两种“曲梁直做”法，在拼接时均需制作准确的拼接图，即在平台上绘制 1： 1 拱肋几何图，或直接在施工图上进行拼接亦可。拼接时，从拱肋一端逐段粘结，每粘结一个连接点，均需要用电吹风
28、进行强制加热凝固直至达到足够强度；粘结过程中务必保证拱肋按拼接图所绘几何形状弯折，建议在连接点拱肋内外侧均制作固定卡位器 一般可用图钉，或用可将废弃的杆件剪成小段后粘于拼接图上。 5) 其他截面形式杆件 根据设计，杆件也可采用不同的截面形式，如 T形截面、十字形截面等 。 2.4 木质模型 制作工艺 2.4.1木材处理 1) 增大截面 一般提供的木材杆件较细，如果设计中选用截面较大的杆件时，一般可将多根杆件叠合粘结。在粘接时，务必保证粘结平面的平整，使二者粘结牢固，增加杆件的整体性。 2) 减小截面 可用美工刀适当劈削后，再进行打磨处理。 3) 弯曲 一般将木材先在清水中浸泡，使其充分吸水，增加其柔韧性，然后再进行弯曲，弯曲过程务必缓慢进行，待其基本成形后再将两端固定，并自然晾干（注意：木材浸水后性能是否发生改变未知！） 2.4.2木材粘结 一般使用较为浓稠的白乳胶，且涂抹厚度应较纸质模型大。在粘接时，务必使用夹子给予粘 结处力量足够大、时间足够长的正压力，确保粘结牢固。节点处一般需粘贴较薄的木片作为节点板，增加有效粘结面积。
