1、全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 1 - 第十届全国大学生结构设计竞赛赛题 大跨度 屋盖 结构 1 赛题背景 随着国民经济的高速发展和 综合国力的提高，我国大跨 度 结构的技术水平也得到了长足的进步，正在 赶超国际先进水平。改革开放以来，大跨度结构的社会需求和工程应用逐年增加，在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、铁路旅客站及各类工业厂房等建筑中得到了广泛的应用。 借 北京 成功 举办2008奥运会 、申办 2022冬 奥会 等国家重大活动的 契机 ，我国已经 或即将 建成一大批高标准、高规格的体育场馆、会议展览馆、机场航站楼等社会公共建筑 ， 这 给我国 大跨度
2、 结构的进一 步发展带来 了 良好的契机，同时也对我国 大跨度 结构技术水平提出了更高的要求。 2 总体模型 总体模型由 承台板 、 支承 结构 、 屋盖 三部分组成 （ 图 -1） 。 图 -1 模型三维透视 示意简 图 2.1 承台板 承台板 采用优质 竹集成板材 ， 标准 尺寸 1200mm800mm， 厚度 16mm， 柱底平面轴网尺寸为 900mm600mm， 板面 刻 设各限定尺寸的界限 ： （ 1）内框线： 平面净尺寸界限， 850mm550mm； 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 2 - （ 2） 中 框线：柱底平面轴网（屋盖最小边界投影）尺寸， 900mm60
3、0mm； （ 3）外框线： 屋盖最大边界投影尺寸， 1050mm750mm。 承台板 板面标高 定义 为 0.00。 图 -2 承台板 平面 尺寸 图 2.2 支承结构 仅允许在 4个柱位处设柱（图 -2中阴影区域），其余位置 不得设柱。 柱的任何部分（包括柱脚、肋等）必须在平面净尺寸 （ 850mm 550mm） 之外，且满足空间检测要求 。（ 即要求柱设置于四角 175mm125mm范围内。 ） 柱 顶标 高 不超过 +0.425（允许误差 +5mm）， 柱轴线间范围内 +0.300标高以下不能设置支撑， 柱脚与承台板的连接 采用 胶水粘结 。 2.3 屋盖 结构 屋盖结构 的具体形式不限
4、， 屋盖结构 的总高 度不大于 125mm（允许误差+5mm） ， 即其最低处标高不 得 低于 0.300m，最高处标高不超过 0.425m（允许误差 +5mm） 。 平面净尺寸范围（ 850mm 550mm）内屋盖净空不低于 300mm，屋盖结构覆盖面积（水平投影面积）不小于 900600mm，也 不大于 1050750mm，见图 -3。不需制作屋面。 屋盖结构覆盖面积（水平投影面积）不小于 900600mm，也不大于1050750mm。 但不限定屋盖平面尺寸是矩形，也不限定边界是直线。 屋盖 结构 中心点（轴网 900600mm的中心） 为 挠度测 量 点 。 2.4 剖面尺寸要求 模型高
5、度方向的尺寸以 承台板面标高为 基准 ， 尺寸详见图 -4、 5。 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 3 - 图 -3 屋盖结构尺寸图 图 -4 结构剖面图 A 图 -5 结构剖面图 B 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 4 - 3 模型 材料及 制作 工具 3.1 竹材 竹材规格及 数 量如表 -1所示，竹材参考力学指标如表 -2所示。 表 -1 竹材规格及用量 竹材规格 竹材名称 数量 竹皮 1250mm430mm0.50mm 本色侧压双层复压竹皮 4 张 1250mm430mm0.35mm 本色侧压双层复压竹皮 4 张 1250mm430mm0.20mm
6、本色侧压单层复压竹皮 4 张 竹 条 900mm6mm1mm 40根 900mm2mm2mm 40根 900mm3mm3mm 40根 900mm6mm3mm 40根 注：竹条实际长度为 930mm。 表 -2 竹材参考力学指标 密度 顺纹抗拉强度 抗压强度 弹性模量 0.789g/cm3 150MPa 65MPa 10GPa 3.2 粘结 胶水 502 胶水 12 瓶 （规格 30 克 /瓶）。 3.3 制作工具 （ 1）每队配置工具 美工刀（ 3把）， 3.0m卷尺 （ 1把） ， 1m钢 尺（ 1把） ， 1.2m丁字 尺（ 1把），45cm三角板（ 1套）， 16cm弯头带齿镊子（ 1把
7、 ），砂纸（ 6张，粗砂、细砂各 3张）， 5件套 锉刀（ 1套）、剪刀（ 2把）、 棉 手套（ 3副）、签字笔（ 3支）、 HB铅笔（ 2支）、 透明胶带（ 1卷）、 6吋模型剪钳（ 2把）、 切割垫块 （ 1块）、 工具收纳筐 （ 1个） 。 （ 2） 公用工具 裁纸刀 A3（ 10台） 、空间木星模型检测块 （ 4个）。 3.4 测试附件 测试 附件为 1001000.8mm 的铝片 ，重 17.5g， 用于挠度 测试 。 如图 -6。 重量不计入模型重量。 铝片 中心 刻有直径 10mm及直径 50mm的圆痕。 图 -6 测试附件 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 5
8、- 3.5 屋面 材料 屋面材料 采用柔软的塑胶网格垫， 厚度约 3mm。 尺寸为 1.5:1 的矩形， 四周切为弧形， 具体尺寸 ：长约 108cm，宽约 72cm， 切弧半径为 175mm， 以满足重量 1kg 为准（ 误差 0.5g），中间位置开直径 80mm 的圆孔 （挠度测试之需） ，详见图 -7。 图 -7 屋面 材料 3.6 加载材料 加载材料采用软质塑胶运动地板（图 -8， 9），尺寸 950mm650mm，四周切为弧形，中央开直径 80mm的圆孔（挠度测试之需）。 加载材料厚度约 2.4mm。单块重量 2kg， 误差控制在 1g 以内，大于 2kg的部分通过均匀开小孔（孔径
9、10mm）的方式减去 ，小于 2kg 的粘贴小块材料补足 。 图 -8 加载材料 尺寸图 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 6 - 图 -9 加载材料 尺寸图 4 模型 制作要求 4.1 模型的承台板由竞赛主办方统一提供， 板长边中点处标注承台板自重（精确到 1g） 。 各参赛队不得对其进行任何致重量改变的操作，如打磨、挖空，削皮，洒水等，否则视为违规 ，取消比赛资格 。 4.2 模型的其余部分由参赛队制作。模型结构的所有杆件、节点及连接部件均采用给定材 料 与 粘结 胶水手工制作完成。 4.3 测试 附件 粘贴 要求 （ 1） 测试 附件 （铝片） 粘 贴 于屋盖结构中心处（
10、见图 -35） ，且铝片中心区域（直径 50mm）表面应平行于承台板面。 屋面材料铺设后，必须能与铝片接触。 （ 2） 铝片 必须直接 牢固 粘 贴在与屋面网垫接触的杆件上， 第一阶段加载过程中出现脱落、倾斜而导致的位移计读数异常，各参赛队自行负责。 （ 3） 若中心区域无杆件，则需由参赛队自行增加杆件连接，增加的杆件计入模型重量。 4.4 模型 提交时 应组装为整体，即将 承台板 、支承结构和屋盖结构用胶水装配成整体。 4.5 模型制作时间为 14小时。模型应在规定的制作时间内 组装为整体 ，此后不能再有任何实质性 的操作。 4.6 比赛中提供的制作台 尺寸 12202440mm， 台面高度
11、 720750mm。 5 模型 净空检测及称重 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 7 - 5.1 模型 净 空间检测 用标准净空模块（ 850mm长 550mm宽 300mm高）沿纵向及横向穿越 模型内部，如不能通过，则视为 模型 不合格 。 5.2 屋盖 平面尺寸及高度 检测 用 激光水平仪 和卷尺 检测 屋盖 平面尺寸及高度 ， 满足下列要求之一者视为不合格。 （ 1）屋盖平面尺寸最大处超过允许值（ 1050、 750） +10mm（每侧 +5mm）； （ 2）屋盖平面尺寸最小处超过允许值（ 900、 600） -10mm（每侧 -5mm）； （ 3）屋盖厚度 超过允许 值
12、 （ 125mm） +5mm。 5.3 模型 称重 模型整体称重后，减去承台板 及 测试 附件（ 铝片 ） 的重量，即为 参赛模型 的重量 Mi。 6 模型加载及评判 6.1 加载方式 模型加载采用 静 加载的形式完成， 所加荷载为屋面 全跨 均布 荷载 ， 荷重用 软质塑胶运动地板 模拟。 6.2 加载准备 （ 1）模型置于加载台上，调试位置。使 位移计 激光投射于铝片中心直径为10mm的圆痕区域内，完成定位。 （ 2）调整激光位移计高度。使激光位移计底面至铝片中心的垂直距离为10025mm 范围内。 （ 3）布置摄像头。模型净空范围内设置摄像头，观测受力过程中结构的变形。 6.2 加载过程
13、 先铺屋面材料，作为预 加载 ，然后位移计读数清零。 模型加载 分为 两个阶段 ： 6.2.1 第一阶段：标准加载 14kg（七张 胶垫 ） （ 1） 先加 第一级， 6kg（ 三张胶垫 逐张加载 ） ，完成后 持荷 20秒 ，测试并记录 测试点 挠度值 。 （ 2） 再加 第二级， 8kg（四张胶垫逐张加载） ， 完成后 持荷 20秒， 测试并记录 测试点 挠度值 。 第一 阶段 加载时的允许挠度为 w=4.0mm。 6.2.2 第二阶段：最大加载 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 8 - 第二阶段的 最大 加载量由各参赛队根据自身模型 情况自行确定， 可报两个级别 （定义为
14、第三级和第四级） ， 并应 在加载 前 上报 。 荷载级别为胶垫的数量（即2kg的倍数）。 （ 1）先加 第三级， 按上报加载量一次 完成 加载， 持荷 20秒 ，如结构破坏，终止加载 ，且本级加载量不计入成绩；如结构不破坏，继续加载。 （ 2）再加第四级， 按上报加载量一次 完成 加载， 持荷 20秒，加载结束。 如结构破坏，本级加载量不计入成绩； 如结构不破坏，本级加载量计入成绩； 第二阶段加载时不进行挠度测试。 6.2.3 加载过程 由参赛队队 员 完成 。 6.2.4 自预加载开始，至加载结束，时间控制在 6分钟以内。（ 第四级加载后的 持荷时间不计入 6分钟内 ） 6.3 评判 标准
15、 6.3.1 第一阶段 加载 过程中 ， 出现以下情况，则 终止加载。 本级 加载及以后 级别 加载成绩为零（即第二级加载出现此情况，加载项成绩算第一级加载成功的成绩）； （ 1） 模型结构 发生整体倾覆、垮塌 ； （ 2）屋面 杆件 脱落 ； （ 3）挠度超过允许挠度限值 w的 1.10倍 。 6.3.2 第二阶段 （ 1） 加载 过程中 ， 若 模型 结构 发生 整体倾覆、垮塌， 则 终止 加载 ，本级加载及以后 级别 加载成绩为零（即第 三 级加载出现此情况，加载项成绩算第二 级加载成功的成绩）； （ 2） 加载 过程中 ， 若 模型 结构未 发生 整体倾覆、垮塌，但有 局部杆件 的 破
16、坏、脱落 或过大变形 ，则可继续加载 。 6.3.3 每队加载成绩由各级加载成功时，计算所得荷重比分数和 刚 度 分数组成。 7 评分 项及 评分 标准 7.1 模型 评分 项及分值 模型 评分项共 五 项， 总分 100分 ，其中包括： （ 1）计算书以及设计说明 10分 （ 2）结构选型与制作质量 10分 （ 3）现场表现 5分 （ 4）模型 承载力 60分 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 9 - （ 5） 模型 刚度 15分 7.2 评分标准 7.2.1 计算书以及设计说明 10分 （ 1） 计算 内容 的完整性、准确性 6分 （ 2） 图文表达的清晰性、规范性 4分
17、7.2.2 结构选型与制作质量 10分 （ 1） 结构合理性与创新性 5分 （ 2） 模型制作 质量与 美观性 5分 7.2.3 现场表现 5分 （ 1） 赛前 陈述 3分 （ 2） 现场答辩 2分 7.2.4 模型 承载力 60分 （第一 阶段 加载 ， 35分；第二阶段 加载 ， 25分） （ 1） 计算 各参赛队模型 （ i） 的单位自重承载力 m1i、 m2i 按 式（ a）计算 ： ii MNm 11 ， iii MNm 22 （ a） N1 第一 阶段 加载 成功 时 的加载荷重 （包括屋面重量） ； 若 两级加载均成功，承载力为两级加载块重量和屋面材料重量之和，即 N1=15kg
18、； 若仅第一级加载成功，承载力为第一级加载块重量和屋面材料重量之和，即 N1=7kg。 N2i 第 二 阶段 加载时， 本队 模型 的 加载荷重 ，单位： kg； Mi 本队 模型 的自重；单位： g。 （ 2） 模型 承载力 得分 Ci 按式（ b）计算 ： 2535 m ax,2 2m ax,1 1 m mm mC iii （ b） m1,max 第一阶段 加载时， 所有参赛 队模型 中 单位自重承载力的最大值 ； m2,max 第二阶段 加载时，所有参赛 队模型 中单位自重承载力的最大值。 7.2.5 模型 刚度 15分 （ 仅 第一 阶段 加载 ） 按以下方式 计算模型 刚度 得分 K
19、i （ a）当 wi w时 15 wwK ii （ c1） （ b）当 w wi 1.10w时 全国大学生结构设计竞赛委 员会 2016天津 - 10 - 150.4-10.1 -10.1 w wwK ii （ c2） （ c）当 wi 1.10w或 wi 0时 0iK （ c3） wi 第一阶段加载成功时，本队 模型 的挠度（ mm），向下为正。 w 第一阶段加载时的允许挠度， w=4.0mm。 8 计算书要求 8.1 计算书内容要求 计算书应包括 以下 内容： （ 1）赛题解读 （ 2）结构选型分析及结构方案 （ 3） 构件尺寸 （ 4）计算分析 （ 5） 第二 阶段 加载所需的重量 （两 级 ） （ 6）必要的图纸 8.2 计算书格式要求 计算书格式要求详见附件。
