2018年第十二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目

1、2018 年第十二屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目（結(jié)設(shè)競函 201803 號）承受多荷載工況的大跨度空間結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作1命題背景目前大跨度結(jié)構(gòu)的建造和所采用的技術(shù)已成為衡量一個國家建筑水平的重要標(biāo)志，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀。本次題目，要求學(xué)生針對靜載、隨機(jī)選位荷載及移動荷載等多種荷載工況下的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析、模型制作及試驗(yàn)。此三種荷載工況分別對應(yīng)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計中的恒荷載、活荷載和變化方向的水平荷載（如風(fēng)荷載或地震荷載），并根據(jù)模型試驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行了一定簡化。選題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程針對性。通過本次比賽，可考察學(xué)生的計算機(jī)建模能力、多荷載工況組合

2、下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計算能力、復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)設(shè)計安裝能力，檢驗(yàn)大學(xué)生對土木工程結(jié)構(gòu)知識的綜合運(yùn)用能力。2賽題概述競賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計并制作一個大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)模型，模型構(gòu)件允許的布置范圍為兩個半球面之間的空間，如圖1 所示，內(nèi)半球體半徑為375mm，外半球體半徑為550mm。(a) 平面圖(b)剖面圖(c)3d 圖圖 1 模型區(qū)域示意圖(單位： mm)模型需在指定位置設(shè)置加載點(diǎn)，加載示意圖如圖2 所示。 模型放置于加載臺上，先在 8 個點(diǎn)上施加豎向荷載(加載點(diǎn)位置及編號規(guī)則詳見4.1 及4.3) ，具體做法是：采用掛鉤從加載點(diǎn)上引垂直線，并通過轉(zhuǎn)向滑輪裝置將加載線引到加載臺兩側(cè)，采用在掛盤上放置

3、砝碼的方式施加垂直荷載。在 8 個點(diǎn)中的點(diǎn)1 處施加變化方向的水平荷載，具體做法是： 采用掛鉤從加載點(diǎn)上引水平線，通過可調(diào)節(jié)高度的轉(zhuǎn)向滑輪裝置將加載線引至加載臺一側(cè)，并在掛盤上放置砝碼用于施加水平荷載。施加水平荷載的裝置可繞通過點(diǎn)1 的豎軸旋轉(zhuǎn)，用于施加變化方向的水平荷載。具體加載點(diǎn)位置及方式詳見后續(xù)模型加載要求。圖 2 加載 3d 示意圖(注：本圖的模型僅為參考構(gòu)型，只要滿足題目要求的結(jié)構(gòu)均為可行模型)3. 模型方案及制作要求3.1 . 理論方案要求(1) 理論方案指模型的設(shè)計說明書和計算書。計算書要求包含：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模及計算參數(shù)、多工況下的受荷分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、模型加工圖(含材料表)。

4、文本封面要求注明作品名稱、參賽學(xué)校、指導(dǎo)老師、參賽學(xué)生姓名、學(xué)號；正文按設(shè)計說明書、方案圖和計算書的順序編排。除封面外，其余頁面均不得出現(xiàn)任何有關(guān)參賽學(xué)校和個人的信息，否則理論方案為零分。(2) 理論方案力求簡明扼要，要求用A4 紙打印紙質(zhì)版一式三份及光盤一式二份于規(guī)定時間內(nèi)交到競賽組委會，逾期作自動放棄處理。3.2 模型制作要求(1)各參賽隊(duì)要求在16 個小時內(nèi)完成模型的制作。應(yīng)在此規(guī)定制作時間內(nèi)完成所有模型的膠水粘貼工作，將模型組裝為整體，此后不能對模型再進(jìn)行任何操作。后續(xù)的安裝階段僅允許采用螺釘將模型固定到底板上。（2）模型制作過程中，嚴(yán)禁將模型半成品部件置于地面。若因此導(dǎo)致模型損壞，責(zé)

5、任自負(fù)，并不因此而延長制作時間。4. 加載與測量4.1 荷載施加方式概述競賽模型加載點(diǎn)見圖3， 在半徑為150mm 和半徑 260mm的兩個圓上共設(shè)置8個加載點(diǎn)， 加載點(diǎn)允許高度范圍見加載點(diǎn)剖面圖，可在此范圍內(nèi)布置加載點(diǎn)。比賽時將施加三級荷載，第一級荷載在所有8 個點(diǎn)上施加豎直荷載；第二級荷載在R=150mm（以下簡稱內(nèi)圈）及 R=260mm（以下簡稱外圈）這兩圈加載點(diǎn)中各抽簽選出2 個加載點(diǎn)施加豎直荷載； 第三級荷載在內(nèi)圈加載點(diǎn)中抽簽選出1 個加載點(diǎn)施加水平荷載。具體加載方式詳見4.8。加載點(diǎn)平面位置圖加載點(diǎn)剖面圖3 加載點(diǎn)位置示意圖比賽時選用2mm 粗高強(qiáng)尼龍繩，綁成繩套，固定在加載點(diǎn)上，

6、繩套只能捆綁在節(jié)點(diǎn)位置，尼龍繩僅做掛重用，不兼作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。每根尼龍繩長度不超過150mm，捆綁方式自定，繩子在正常使用條件下能達(dá)到25kg 拉力。每個加載點(diǎn)處選手需用紅筆標(biāo)識出以加載點(diǎn)為中心，左右各5mm、總共10mm 的加載區(qū)域，如圖4 所示，綁繩只能設(shè)置在此區(qū)域中。加載過程中，綁繩不得滑動出此區(qū)域。加載點(diǎn)4 加載點(diǎn)卡槽示意圖4.2 模型安裝到承臺板1）安裝前先對模型進(jìn)行稱重（包括繩套），記MA（精度0.1g）。2）參賽隊(duì)將模型安裝在承臺板上，承臺板為1200mm（長） 1200mm（寬） 15mm（高） 的生態(tài)木板，中部開設(shè)了可通過加載鋼繩的孔洞。安裝時模型與承臺板之間采用自攻螺釘（1g/

7、顆 ）連接，螺釘總質(zhì)量記為MB（單位：g）；整個模型結(jié)構(gòu)（包括螺釘）不得超越規(guī)定的內(nèi)外球面之間范圍（內(nèi)半徑375mm，外半徑550mm），若安裝時自己破壞了模型結(jié)構(gòu)， 不得臨時再做修補(bǔ)。安裝時間不得超過15分鐘， 每超過 1 分鐘總分扣去2分，扣分累加。3）模型總重M1=MA+MB（ 精度 0.1g）。4.3 抽簽環(huán)節(jié)本環(huán)節(jié)選手通過兩個隨機(jī)抽簽值確定模型的第三級的水平荷載加載點(diǎn)（對應(yīng)模型的擺放方向）及第二級的豎向隨機(jī)加載模式。（1）抽取第三級加載時水平荷載的加載點(diǎn)參賽隊(duì)伍在完成模型制作后，要在內(nèi)圈4 個加載點(diǎn)附近用筆（或者貼上便簽）按順時針明確標(biāo)出A、 B、 C、 D，如圖5（a）所示。采用隨

8、機(jī)程序從A至 D 等 4個英文大寫字母中隨機(jī)抽取一個，所抽到字母即為參賽隊(duì)伍第三級水平荷載的加載點(diǎn)。此時， 將該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)x 軸的負(fù)方向，再將該加載點(diǎn)重新定義為1 號點(diǎn)。 另外 7 個加載點(diǎn)按照圖5（b）所示規(guī)則編號：按照順時針的順序，在模型上由內(nèi)圈到外圈按順時針標(biāo)出28 號加載點(diǎn)。例如，若在抽取步驟（1）中抽到B，則應(yīng)該按圖5（c）定義加載點(diǎn)的編號，其他情況以此類推。(a)(b)5 加載點(diǎn)抽簽編號圖(2)抽取第二級豎向荷載的加載點(diǎn)第二級豎向荷載的加載點(diǎn)是按照圖6 中的 6 種加載模式進(jìn)行隨機(jī)抽取的，抽取方式是用隨機(jī)程序從(a)至 (f)等 6 個英文小寫字母中隨機(jī)抽取一個，抽到的字母對應(yīng)到圖

9、6中相應(yīng)的加載方式，圖中的帶方框的紅色的加載點(diǎn)即為第二級施加偏心荷載的加載點(diǎn)。下圖中點(diǎn)18 的標(biāo)號與抽取步驟(1)中確定的加載點(diǎn)標(biāo)號一一對應(yīng)。例如，如果在此步驟中抽到(d)，則在1、 2、 5、 7 號點(diǎn)加載第二級偏心荷載，在1 號點(diǎn)上加載第三級水平荷載。(b)548(e)6 6 種豎向荷載加載模式示意圖(帶方框的紅色點(diǎn)表示第二級垂直荷載的加載點(diǎn))4.4 模型幾何尺寸檢測(1)幾何外觀尺寸檢測模型構(gòu)件允許存在的空間為兩個半球體之間，如圖 1 所示。 檢測時， 將已安裝模型的承臺板放置于檢測臺上，采用如圖7 的檢測裝置A 和 B，其中 A 與 B 均可繞所需檢測球體的中心軸旋轉(zhuǎn)180。檢測裝置已

10、考慮了允許選手有一定的制作誤差(內(nèi)徑此處允許值為740mm，外徑為1110mm)。要求檢測裝置在旋轉(zhuǎn)過程中，模型構(gòu)件不與檢測裝置發(fā)生接觸。若模型構(gòu)件與檢測裝置接觸，則代表檢測不合格，不予進(jìn)行下一步檢測。(2)加載點(diǎn)位置檢測采用如圖8 的檢測裝置C 檢測 8 個豎直加載點(diǎn)的位置。該檢測臺有8 個以加載點(diǎn)垂足為圓心，15mm 為半徑的圓孔。選手需在步驟4.2時捆綁的每個繩套上利用S形鉤掛上帶有100g 重物的尼龍繩，尼龍繩直徑為2mm。 8 根自然下垂的尼龍繩，在繩子停止晃動之后，可以同時穿過圓孔，但都不與圓孔接觸，則檢測合格。尼龍繩與圓孔邊緣接觸則視為失效。水平加載點(diǎn)采用了點(diǎn)1 作為加載位置，考

11、慮到綁繩需要一定的空間位置，水平加載點(diǎn)定位與垂直加載點(diǎn)空間距離不超過20mm。以上操作在志愿者監(jiān)督下，由參賽隊(duì)員在工作臺上自行完成，過程中如有損壞，責(zé)任自負(fù)。如未能通過以上兩項(xiàng)檢測，則判定模型失效，不予加載。在模型檢測完畢后，隊(duì)員填寫第二、第三級荷載的具體數(shù)值(具體荷載范圍見4.8)，簽名確認(rèn)，此后不得更改。(a) 外輪廓檢測裝置A(b) 內(nèi)輪廓檢測裝置B7 幾何外觀尺寸檢測裝置示意圖(單位： mm)r = 15mm加載點(diǎn)檢測孔圖 8 豎直加載點(diǎn)位置檢測裝置C(單位：mm)4.5 模型安裝到加載臺上參賽隊(duì)將安裝好模型的承臺板抬至加載臺支架上，將點(diǎn) 1 對準(zhǔn)加載臺的x軸負(fù)方向，用 G 型木工夾夾

12、住底板和加載臺，每隊(duì)提供8 個夾具，由各隊(duì)任選夾具數(shù)量和位置，也可不用。在模型豎直加載點(diǎn)的尼龍繩吊點(diǎn)處掛上加載繩，在加載繩末端掛上加載掛盤，每個掛盤及加載繩的質(zhì)量之和約為每套500g。調(diào)節(jié)水平加載繩的位置到水平位置，水平加載掛盤在施加第三級水平荷載的時候再掛上。4.6 模型撓度的測量方法工程設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是結(jié)構(gòu)性能的兩個重要指標(biāo)。在模型的第一、二級通過位移測量裝置對結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)的垂直位移進(jìn)行測量。根據(jù)實(shí)際工程中大按照相似性原理進(jìn)行換算，再綜合其他試驗(yàn)因素后設(shè)定本模型最w=12mm 。位移測量點(diǎn)位置如圖9 所示，位移測量點(diǎn)應(yīng)布置于模型中心并可隨主體結(jié)構(gòu)受載后共同變形，而非脫離主體結(jié)構(gòu)單獨(dú)

13、設(shè)置。測量點(diǎn)20g 的尺寸為30mm 30mm 的鋁片，采用位移計進(jìn)行位移測量。參位移測量點(diǎn) 平面位置圖鋁片應(yīng)粘貼牢固，加載過程中出現(xiàn)脫位移測量點(diǎn)剖面圖圖 9 位移測量點(diǎn)位置示意圖在 4.5步驟完成后，將位移計對準(zhǔn)鋁片中點(diǎn)，位移測量裝置歸零，位移量從此時開4.7 及 4.6的安裝過程由各隊(duì)自行完成，賽會人員負(fù)責(zé)監(jiān)督、標(biāo)定測量儀器和記錄。4.8 答辯環(huán)節(jié)由一個參賽隊(duì)員陳述，時間控制在1 分鐘以內(nèi)。評委提問及參賽隊(duì)員回答，時間控 制在 2 分鐘以內(nèi)。4.9 具體加載步驟：加載分為三級，第一級是豎直荷載，在所有加載點(diǎn)上每點(diǎn)施加5kg 的豎向荷載；第二級是在第一級的荷載基礎(chǔ)上在選定的4 個點(diǎn)上每點(diǎn)施加

14、4-6kg 的豎向荷載(注： 每點(diǎn)荷載需是同一數(shù)值)；第三級是在前兩級荷載基礎(chǔ)上，施加變方向水平荷載，大小在4kg8kg 之間。第二、三級的可選荷載大小由參賽隊(duì)伍自己選取，按1kg 為最小單位增加?，F(xiàn)場采用砝碼施加荷載，有1kg 和 2kg 兩種規(guī)格。(1)第一級加載：在圖3 中的8 個加載點(diǎn)，每個點(diǎn)施加5kg 的豎向荷載；并對豎向位移進(jìn)行檢測。在持荷第10 秒鐘時讀取位移計的示數(shù)。穩(wěn)定位移不超過允許的位移限值 w=12mm( 注：本賽題規(guī)則中所有的位移均是指位移絕對值，若在加載時，位移往上超過 12mm 也算失效 )，則認(rèn)為該級加載成功。否則，該級加載失效，不得進(jìn)行后續(xù)加載。(2)第二級加載

15、：在第一級的荷載基礎(chǔ)上，在 4.3步驟抽取的4個荷載加載點(diǎn)處施加4-6kg 的豎向荷載(每個點(diǎn)荷載相同)；并對豎向位移進(jìn)行檢測。在持荷第10秒鐘時讀取位移計示數(shù)，穩(wěn)定位移不超過允許的位移w=12mm ，則認(rèn)為該級加載成功。否則，該級加載失效，不得進(jìn)行后續(xù)加載。(3)第三級加載：在前兩級的荷載基礎(chǔ)上，在點(diǎn)1 上施加變動方向的水平荷載。比賽選手首先在I 點(diǎn)處掛上選定荷載。而后參賽隊(duì)伍自己推動已施加荷載的可旋轉(zhuǎn)加載裝置，依次經(jīng)過、四點(diǎn)，并且不受到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的阻擋。這四個點(diǎn)的位置關(guān)系如圖 10 所示。轉(zhuǎn)到、這四點(diǎn)時，應(yīng)各停留5 秒鐘。如果加載的過程中，模型沒有失效，則加載成功。以上三級的總加載時間不超過

16、4 分鐘。若超過此時間，每超過1 分鐘總分扣去2分，扣分累加。圖 10 第三級荷載加載方式無特殊情況下(是否特殊情況由專家組判定)， 每個隊(duì)伍從模型安裝到加載臺上(步驟4.5開始)到加載結(jié)束應(yīng)在10分鐘內(nèi)結(jié)束，若超過此時間，每超過 1 分鐘總分扣去2分，扣分累加。4.10 模型失效評判準(zhǔn)則加載過程中，出現(xiàn)以下情況，則終止加載，本級加載及以后級別加載成績?yōu)榱悖?1)加載過程中，若模型結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾覆、垮塌，則終止加載，本級加載及以后級別加載成績?yōu)榱悖?2)如果設(shè)置的掛繩斷裂或者脫落失效，也應(yīng)視為模型失效；(3)第一級或第二級荷載加載時撓度超過允許撓度限值w ；(4)評委認(rèn)定不能繼續(xù)加載的其他情況

17、。5模型材料本項(xiàng)比賽模型制作材料由組委會統(tǒng)一提供，現(xiàn)場制作；各參賽隊(duì)使用的材料僅限于組委會提供的材料。允許選手對所給材料進(jìn)行加工、組合。 如模型中采用的材料違反上述規(guī)定，一經(jīng)查實(shí)，將取消參賽資格。每隊(duì)統(tǒng)一配發(fā)以下材料(由組委會提供)：(1)竹材，用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。竹材規(guī)格及數(shù)量如表1 所示，竹材參考力學(xué)指標(biāo)如表2 所示。表 1 竹材規(guī)格及用量竹材規(guī)格竹材名稱數(shù)量竹皮1250mm 430mm 0.50mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮2 張1250mm 430mm 0.35mm本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮2 張1250mm 430mm 0.20mm本色側(cè)壓單層復(fù)壓竹皮2 張竹條900mm 6mm 1mm20根90

18、0mm 2mm 2mm20根900mm 3mm 3mm20根注：竹條實(shí)際長度為930mm。表 2 竹材參考力學(xué)指標(biāo)密度順紋抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度彈性模量3 0.789g/cm3150MPa65MPa10GPa(2) 502膠水：用于模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接，限8 瓶。(3)制作工具：美工刀3 把、剪刀2把、鑷子2把、 6寸水口鉗1 把、滴管若干、鉛筆兩支、鋼尺(30cm)以及丁字尺(1m)各一把、三角尺(20cm)一套。打孔器(公用)(4) 測試附件為30mm 30mm 的鋁片，重20g，用于撓度測試。(5)尼龍掛繩，此掛繩僅用于綁扎掛鉤用，不得用于模型構(gòu)件使用，稱重時掛繩綁扎在結(jié)構(gòu)上一起稱重。6、評

19、分標(biāo)準(zhǔn)6.1 總分構(gòu)成結(jié)構(gòu)評分按總分100 分計算，其中包括：（1） 理論方案分值: 5 分（2） 現(xiàn)場制作的模型分值: 10 分（3） 現(xiàn)場陳述與答辯分值: 5 分（4） 加載表現(xiàn)分值: 80 分6.2 評分細(xì)則A. 理論方案: 滿分 5 分第 i 隊(duì)的理論方案得分Ai 由專家根據(jù)計算內(nèi)容的科學(xué)性、完整性、 準(zhǔn)確性和圖文表達(dá)的清晰性與規(guī)范性等進(jìn)行評分；理論方案不得出現(xiàn)參賽學(xué)校的標(biāo)識，否則為零分。注： 計算書要求包含：結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)建模及主要計算參數(shù)、受荷分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、模型加工圖（含材料表）。B. 現(xiàn)場制作的模型分:滿分 10 分第 i 隊(duì)的現(xiàn)場制作的模型分得分Bi 由專家根據(jù)模型結(jié)構(gòu)的合理性、創(chuàng)新性、 制作質(zhì)量、美觀性和實(shí)用性等進(jìn)行評分；其中模型結(jié)構(gòu)與制作質(zhì)量各占5 分：C. 現(xiàn)場表現(xiàn) :滿分 5分第 i 隊(duì)的現(xiàn)場表現(xiàn)Ci 由專家根據(jù)隊(duì)員現(xiàn)場綜合表現(xiàn)（內(nèi)容表述、邏輯思維、創(chuàng)新點(diǎn)和回答等 ）進(jìn)行評分D. 加