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　　摘要:模型競賽鼓勵充分發(fā)揮想象，挑戰(zhàn)極限，競賽模型的設(shè)計很少依據(jù)設(shè)計規(guī)范和工程實際，而工程實際中設(shè)計規(guī)范相對健全，兩者在諸多方面存在差異，為探討借鑒工程規(guī)范指導(dǎo)模型競賽以及將競賽設(shè)計模型運(yùn)用到工程實際中的可能性。本文基于作者參加第四屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的體會，從六個不同的角度，對結(jié)構(gòu)競賽模型的設(shè)計和工程實際進(jìn)行比較性研究。

　　關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)競賽模型設(shè)計,工程實際,比較性研究,差異

　　一、前言

　　大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型設(shè)計競賽是近20年來在國內(nèi)各高校普遍開展的一項影響較大的大學(xué)生課外學(xué)科性競賽活動。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽在一定程度上激發(fā)了大學(xué)生的創(chuàng)新思維，鍛煉了學(xué)生的動手能力、實踐能力和綜合素質(zhì)，但是這樣的結(jié)構(gòu)模型競賽存在一定的不足，設(shè)計模型的時候很少依據(jù)工程規(guī)范和工程實際經(jīng)驗，設(shè)計出的作品不能直接用于工程實際，這種單純的為了競賽而競賽，不服務(wù)于實踐的模型設(shè)計，一定程度上給設(shè)計人員造成了誤解，同時也對社會有限的資源造成了浪費(fèi)。所以關(guān)于模型競賽與工程實際的問題值得做深入的研究。本文就以作者親身參加的第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽為例，從六個不同的角度進(jìn)行比較分析。第四屆結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的題目是體育場懸挑屋蓋，所使用的材料是桐木。

　　二、結(jié)構(gòu)模型競賽與工程實際的比較性研究

　�。�1）荷載組合和荷載工況角度的比較性研究

　　結(jié)構(gòu)在工程實際中所受的荷載是多種多樣的，而這些荷載會有不同的荷載組合，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮各種可能出現(xiàn)的荷載組合，例如在PKPM中，當(dāng)采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模的時候，系統(tǒng)默認(rèn)的荷載組合就有幾十種，這還不包括設(shè)計者自己定義的各種組合，如果設(shè)計者有必要進(jìn)行荷載組合的自定義，那么一個結(jié)構(gòu)的荷載組合可能會多達(dá)上百種。此次結(jié)構(gòu)模型競賽中，加載的荷載有重1.88kg的加載條，視為靜載，且為剛性荷載；和風(fēng)速為9m/s和12m/s的風(fēng)荷載，視為動載。加載的過程顯示，該模型的荷載組合只有三種：1、靜荷載+模型自重；2、模型自重+9m/s風(fēng)荷載；3、模型自重+12m/s風(fēng)荷載。由此可見，工程實際中和模型競賽中的荷載組合存在較大差異。

　�。�2）材料設(shè)計強(qiáng)度角度的比較性研究

　　木材的材料強(qiáng)度受到持荷時間的影響，以木材抗彎強(qiáng)度為例，如果持續(xù)長時間施加荷載，木材的強(qiáng)度就會變低。假設(shè)在靜力加載實驗中的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為100%，那么荷載持續(xù)時間1年，強(qiáng)度就會下降33%，荷載持續(xù)時間50年，強(qiáng)度就會下降60%。工程實際中為使結(jié)構(gòu)荷載作用的時間無論多長木材都不致破壞，木結(jié)構(gòu)設(shè)計以木材的長期強(qiáng)度為依據(jù)。但是模型競賽中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計是以瞬時強(qiáng)度為依據(jù)的。瞬時強(qiáng)度要大于材料的長期強(qiáng)度。例如：順紋受壓的長期強(qiáng)度大約僅為瞬時強(qiáng)度的0.5～0.59，順紋受拉的長期強(qiáng)度大約為瞬時強(qiáng)度的0.5，靜力彎曲的長期強(qiáng)度大約為瞬時強(qiáng)度的0.5～0.64，順紋受剪的長期強(qiáng)度大約為瞬時強(qiáng)度的0.5～0.55[2]。工程實際中的結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮設(shè)計基準(zhǔn)期和設(shè)計使用年限，木材的強(qiáng)度設(shè)計值需要根據(jù)不同的設(shè)計使用年限取不同的調(diào)整系數(shù)。但是，在模型競賽中，由于模型是短期制作短期加載，不用考慮材料設(shè)計強(qiáng)度與設(shè)計使用年限之間的關(guān)系，也就不用考慮強(qiáng)度設(shè)計值的調(diào)整系數(shù)。

　�。�3）控制點(diǎn)選取角度的比較性研究

　　此次競賽中，控制點(diǎn)位于距懸挑屋蓋前緣35mm，距兩側(cè)100mm的地方，通過測量這兩個點(diǎn)的位移來判定結(jié)構(gòu)的剛度。加載的荷載條為剛性的，故能使模型結(jié)構(gòu)整體共同工作；而在工程實際中，當(dāng)采用空間相互作用較小的結(jié)構(gòu)體系時，各榀結(jié)構(gòu)之間荷載一般按負(fù)荷面積進(jìn)行分擔(dān)的。模型競賽中，只控制加載條處主結(jié)構(gòu)的豎向變形，而不對結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)變形能力、屋面檁條、屋面板的剛度進(jìn)行控制，從而在比賽中出現(xiàn)了大量模型的變形最大點(diǎn)不在加載條處的情況、屋面檁條的剛度嚴(yán)重不足，根本起不到對屋面板進(jìn)行支承的作用、個別構(gòu)架長細(xì)比偏大，試驗中出現(xiàn)振動。但是，在工程實際中，須對正常使用極限狀態(tài)下主結(jié)構(gòu)、檁條、屋面板的撓度進(jìn)行控制，同時也對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長細(xì)比進(jìn)行控制。

　�。�4）結(jié)構(gòu)功能角度的比較性研究

　　設(shè)計任何建筑物或構(gòu)筑物，必須在其設(shè)計使用年限內(nèi)，滿足安全性、適用性和耐久性的要求。此次結(jié)構(gòu)模型競賽的考核指標(biāo)中，質(zhì)量輕是一個很關(guān)鍵的因素。但是過分追求質(zhì)量輕，不能保證安全性的要求。此外，過輕的質(zhì)量對于結(jié)構(gòu)的剛度和撓度是十分不利的，這就不能保證結(jié)構(gòu)的適用性要求。其次，比賽中判斷模型損壞的標(biāo)志為模型任何構(gòu)件（包括覆面材料）或連接發(fā)生明顯破損。但是在工程實際中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不止不能出現(xiàn)明顯的破損，還必須保證結(jié)構(gòu)在正常使用時具有良好的工作性能，即使結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有出現(xiàn)明顯的破損，也有可能導(dǎo)致其不滿足這一要求，比如結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件出現(xiàn)過大的撓度或者過寬的裂縫。所以，在工程實際中，出現(xiàn)明顯破壞顯然不能作為判斷結(jié)構(gòu)破損的標(biāo)志，其標(biāo)準(zhǔn)要更為嚴(yán)格。再次，如前所述，模型競賽中考慮的荷載組合和荷載工況相對來說顯得簡單，按照模型競賽的要求進(jìn)行設(shè)計和制作的結(jié)構(gòu)模型，可能會導(dǎo)致模型不滿足結(jié)構(gòu)的安全性和適用性要求。

　�。�5）截面類型角度的比較性研究

　　工程實際中，常用的構(gòu)件截面形式有矩形、圓形、環(huán)形、H形、工字形、格構(gòu)式、槽形等。以實心矩形、圓形截面和空腹矩形、圓環(huán)截面為例，假設(shè)截面的面積A都為10000mm2，通過計算得知空腹薄壁矩形截面的慣性矩、截面系數(shù)和回轉(zhuǎn)半徑都是最大的，所以空腹薄壁矩形截面的受力性能在這三者中是最好的，實心圓形截面次之，實心矩形截面最差。此外，空腹矩形截面不僅在受力性能上優(yōu)于其他兩種，在質(zhì)量上也比其他兩種輕得多。

　�。�6）結(jié)構(gòu)選型角度的比較性研究

　　結(jié)構(gòu)選型就是根據(jù)材料特性、加載要求等，確定符合力學(xué)原理、美觀、便于制作、輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)模型。不同的比賽對結(jié)構(gòu)的受力要求各不相同，比如高層，橋梁，屋蓋等，結(jié)構(gòu)體系需視具體情況分析選擇[3]。在結(jié)構(gòu)選型的原則方面：工程實際中，結(jié)構(gòu)選型考慮的荷載是多種多樣的，而模型競賽中，要考慮的荷載只是競賽規(guī)定加載的荷載；模型競賽中對于創(chuàng)新性的要求較高，可能會忽略某些實際工程中要考慮的因素；工程實際中結(jié)構(gòu)選型要與建筑選型緊密結(jié)合，在結(jié)構(gòu)選型的時候要充分考慮建筑的功能、造型的要求，而在競賽模型中，則不用考慮建筑的因素，只需要按照競賽的規(guī)定選擇合理的結(jié)構(gòu)形式即可。

　　三、結(jié)論

　　結(jié)構(gòu)競賽模型設(shè)計雖屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計，但與工程實際存在一定的差異：1、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計競賽在荷載組合和荷載工況在數(shù)和量上考慮得較為簡單和單一，與工程實際不符。2、競賽中對于材料強(qiáng)度的考慮不全面，且結(jié)構(gòu)可靠度的選取要低于工程實際中可靠度的值。所以，競賽中材料設(shè)計強(qiáng)度可提高使用。3、結(jié)構(gòu)競賽中控制點(diǎn)的選取比較片面，工程實際中的控制指標(biāo)更全面。4、模型競賽中由于還要考慮考核指標(biāo)、成績等因素，可能導(dǎo)致制作出的模型與工程實際建造出的結(jié)構(gòu)在功能方面存在一定的差異。5、模型競賽中和工程實際中構(gòu)件常用的截面類型有些是相同的，但是由于競賽材料和時間等因素的限制，工程實際中常用的性能良好的一些截面類型無法在模型競賽中使用。6、現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可以用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計競賽，但是由于競賽材料等的局限性，可以對結(jié)構(gòu)的連接方式、結(jié)構(gòu)的選型等做相應(yīng)的改變。

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