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1、 2018 年第十二届全国大学生结构设计黑龙江省赛区竞赛题目年第十二届全国大学生结构设计黑龙江省赛区竞赛题目 承受竖向荷载的大跨度空间结构模型设计与制作承受竖向荷载的大跨度空间结构模型设计与制作 1命题背景命题背景 目前大跨度结构的建造和所采用的技术已成为衡量一个国家建筑水平的重要标志，许多 宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。 本次题目，要求学生针对两荷载工况下的空间结构进行受力分析、模型制作及试验，选 题具有重要的现实意义和工程针对性。通过本次比赛，可考察学生的计算机建模能力、结构 优化分析计算能力、复杂空间节点设计安装能力，检验大学生对土木工程结构知识的综合
2、运 用能力。 2赛题概述赛题概述 竞赛赛题要求参赛队设计并制作一个大跨度空间屋盖结构模型，模型构件允许的布置范 围为两个半球面之间的空间， 如图 1 所示， 内半球体半径为 300mm， 外半球体半径为 440mm。 (a) 平面图 (b)剖面图 (c)3d 图 图 1 模型区域示意图(单位：mm) 模型需在指定位置设置加载点，加载示意图如图 2 所示。模型放置于加载台上，在 8 个 点上按指定顺序施加竖向荷载，具体做法是：采用挂钩从加载点上引垂直线，并通过转向滑 轮装置将加载线引到加载台两侧，采用在挂盘上放置砝码的方式施加垂直荷载。 图 2 加载 3d 示意图 (注：本图的模型仅为参考构型，
3、只要满足题目要求的结构均为可行模型) 3. 模型方案及制作要求模型方案及制作要求 3.1. 理论方案要求理论方案要求 (1) 理论方案指模型的设计说明书和计算书。计算书要求包含：结构选型、结构建模及计 算参数、两工况下的受荷分析、节点构造、模型加工图(含材料表)。文本封面要求注明作品名 称、参赛学校、指导老师、参赛学生姓名、学号；正文按设计说明书、方案图和计算书的顺 序编排。除封面外，其余页面均不得出现任何有关参赛学校和个人的信息，否则理论方案为 零分。 (2) 理论方案力求简明扼要， 要求用 A4 纸打印纸质版一式三份及光盘一式二份于规定时 间内交到竞赛组委会，逾期作自动放弃处理。 3.2
4、模型制作要求模型制作要求 (1) 各参赛队（规定每队 3 人）要求在 11 个小时内完成模型制作。应在此规定制作时间 内完成所有模型的胶水粘贴工作，将模型组装为整体，此后不能对模型再进行任何操作。后 续的安装阶段仅允许采用螺钉将模型固定到底板上。 (2) 模型制作过程中，严禁将模型半成品部件置于地面。若因此导致模型损坏，责任自 负，并不因此而延长制作时间。 4. 加载与测量加载与测量 4.1 荷载施加方式概述荷载施加方式概述 竞赛模型加载点见图 3，在半径为 120mm 和半径 208mm 的两个圆上共设置 8 个加载点， 加载点允许高度范围见加载点剖面图，可在此范围内布置加载点。比赛时将在所
5、有 8 个点上 按指定顺序施加竖直荷载。 图 3 加载点位置示意图 比赛时选用 2mm 粗高强尼龙绳， 绑成绳套， 固定在加载点上， 绳套只能捆绑在节点位置， 尼龙绳仅做挂重用，不兼作结构构件。每根尼龙绳长度不超过 150mm，捆绑方式自定，绳子 在正常使用条件下能达到 25kg 拉力。每个加载点处选手需用红笔标识出以加载点为中心，左 右各 5mm、总共 10mm 的加载区域，如图 4 所示，绑绳只能设置在此区域中。加载过程中， 绑绳不得滑动出此区域。 5mm 10mm 加载点 5mm 图 4 加载点卡槽示意图 4.2 模型安装到承台板模型安装到承台板 1)安装前先对模型进行称重(包括绳套)，
6、记 MA(精度 0.1g)。 2)参赛队将模型安装在承台板上，承台板为 1200mm（长）1200mm（宽）15mm（高） 的生态木板，中部开设了可通过加载钢绳的孔洞。安装时模型与承台板之间采用自攻螺钉(1g/ R120 R208 120 120 208 208 颗)连接，螺钉总质量记为 MB(单位：g)；整个模型结构(包括螺钉)不得超越规定的内外球面之 间范围(内半径 300mm，外半径 440mm)，若安装时自己破坏了模型结构，不得临时再做修补。 安装时间不得超过 15 分钟，每超过 1 分钟总分扣去 2 分，扣分累加。 3)模型总重 M1=MA+MB(精度 0.1g)。 4.3 模型几何
7、尺寸检测模型几何尺寸检测 (1)几何外观尺寸检测 模型构件允许存在的空间为两个半球体之间，如图 1 所示。检测时，将已安装模型的承 台板放置于检测台上，采用如图 5 的检测装置 A 和 B，其中 A 与 B 均可绕所需检测球体的中 心轴旋转 180 。检测装置已考虑了允许选手有一定的制作误差(内径此处允许值为 592mm， 外 径为 888mm)。要求检测装置在旋转过程中，模型构件不与检测装置发生接触。若模型构件与 检测装置接触，则代表检测不合格，不予进行下一步检测。 (2)加载点位置检测 采用如图 6 的检测装置 C 检测 8 个竖直加载点的位置。该检测台有 8 个以加载点垂足为 圆心， 1
8、5mm 为半径的圆孔。 选手需在步骤 4.2 时捆绑的每个绳套上利用 S 形钩挂上带有 100g 重物的尼龙绳，尼龙绳直径为 2mm。8 根自然下垂的尼龙绳，在绳子停止晃动之后，可以同 时穿过圆孔，但都不与圆孔接触，则检测合格。尼龙绳与圆孔边缘接触则视为失效。 以上操作在志愿者监督下，由参赛队员在工作台上自行完成，过程中如有损坏，责任自 负。如未能通过以上两项检测，则判定模型失效，不予加载。 在模型检测完毕后，不得更改。 (a) 外轮廓检测装置 A (b) 内轮廓检测装置 B 图 5 几何外观尺寸检测装置示意图(单位：mm) 加载点检测孔 R150 R260 45 45 45 45 r = 1
9、5mm 图 6 竖直加载点位置检测装置 C(单位：mm) 4.4 模型安装到加载台上模型安装到加载台上 参赛队将安装好模型的承台板抬至加载台支架上，用 G 型木工夹夹住底板和加载台，每 队提供 8 个夹具，由各队任选夹具数量和位置，也可不用。 在模型竖直加载点的尼龙绳吊点处挂上加载绳，在加载绳末端挂上加载挂盘，每个挂盘 及加载绳的质量约为每个 500g。 4.5 模型挠度的测量方法模型挠度的测量方法 在对每个模型的加载过程中，通过位移测量装置对结构中心点的垂直进行测量，最大允 许位移为 w=12mm。位移测量点位置如图 7 所示，测量点处粘贴重量不超过 20g 的尺寸为 30mm 30mm 的
10、铝片，采用激光位移计进行位移测量。参赛队员必须在该位移测量处设置支 撑杆件的杆件。铝片应粘贴牢固，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。 位移测量点 外圆 内圆 AA A-A 内圆外圆 位移测量点允许的高度范围 位移测量点 平面位置图 位移测量点 剖面图 图 7 位移测量点位置示意图 R208 R120 在 4.4 步骤完成后， 将位移计对准铝片中点， 位移测量装置归零， 位移量从此时开始计数。 4.4 及 4.5 的安装过程由各队自行完成，工作人员负责监督、标定测量仪器和记录。如在 此过程中出现模型损坏，则视为丧失比赛资格。安装完毕后，不得再触碰模型。 4.6
11、答辩环节答辩环节 由一个参赛队员陈述，时间控制在 1 分钟以内。评委提问及参赛队员回答，时间控制在 2 分钟以内。 4.7 具体加载步骤：具体加载步骤： 在所有加载点上每点按指定顺序施加 5kg 的竖向荷载。 在图 3 中的 8 个加载点，每个点按指定顺序依次施加 5kg 的竖向荷载；按编号顺序先加 1-4，在持荷第 10 秒钟时读取位移计的示数。加载二级荷载，由参赛队员按编号顺序加 5-8， 持荷第 10 秒钟时读取位移计的示数，最大位移不超过允许的位移限值w=12mm(注：本赛题 规则中所有的位移均是指位移绝对值，若在加载时，位移往上超过 12mm 也算失效)，则认为 该级加载成功，否则，
12、该级加载失效不得进行后续加载。 无特殊情况下(是否特殊情况由专家组判定)，每个队伍从到加载台上(步骤 4.4 开始)到加 载结束应在 6 分钟内结束，若超过此时间，每超过 1 分钟总分扣去 2 分，扣分累加。 4.8 模型失效评判准则模型失效评判准则 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： (1)模型结构发生整体倾覆、垮塌； (2)有主要杆件脱落，如果对是否为“主要杆件”有异议，可由在场的评委判定； (3)如果设置的挂绳断裂或者脱落失效，也应视为模型失效； (4)结构位移超过允许位移限值w。 5模型材料模型材料 本项比赛模型制作材料由组委会统一提供，现场制作；各
13、参赛队使用的材料仅限于组委 会提供的材料。允许选手对所给材料进行加工、组合。如模型中采用的材料违反上述规定， 一经查实，将取消参赛资格。每队统一配发以下材料(由组委会提供)： (1)竹材，用于制作结构构件。 竹材规格如表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 竹皮 1250mm 430mm 0.20mm 本色侧压单层复压竹皮 竹条 900mm 6mm 1mm 900mm 2mm 2mm 900mm 3mm 3mm 900mm 6mm 3mm 注：申请材料质量不得超过模型总质量的 2 倍。 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
14、 0.789g/cm3 150MPa 65MPa 10GPa (2)502胶水：用于模型结构构件之间的连接，限 6 瓶。 (3)制作工具（自备） ：美工刀 3 把、剪刀 2 把、镊子 2 把、6 寸水口钳 1 把、铅笔两支、 钢尺(30cm)以及丁字尺(1m)各一把、三角尺(20cm)一套。 (4) 测试附件为 30mm 30mm 的铝片，重 20g，用于挠度测试。 (5)尼龙挂绳，此挂绳仅用于绑扎挂钩用，不得用于模型构件使用，称重时挂绳绑扎在结 构上一起称重。 (6)其他材料：滴管若干 6、评分标准、评分标准 6.1 总分构成总分构成 结构评分按总分 100 分计算，其中包括： (1) 理论
15、方案分值: 10 分 (2) 现场制作的模型分值: 10 分 (3) 现场陈述与答辩分值: 5 分 (4) 加载表现分值: 75 分 6.2 评分细则评分细则 A. 理论方案: 满分 10 分 第 i 队的理论方案得分 Ai由专家根据计算内容的科学性、完整性、准确性和图文表达的 清晰性与规范性等进行评分；理论方案不得出现参赛学校的标识，否则为零分。 注：计算书要求包含：结构选型、结构建模及主要计算参数、受荷分析、节点构造、模 型加工图(含材料表)。 B. 现场制作的模型分：满分 10 分 第 i 队的现场制作的模型分得分 Bi由专家根据模型结构的合理性、创新性、制作质量、 美观性和实用性等进行
16、评分；其中模型结构与制作质量各占 5 分： C. 现场表现：满分 5 分 第 i 队的现场表现 Ci由专家根据队员现场综合表现(内容表述、逻辑思维、创新点和回答 等)进行评分 D. 加载表现评分：满分 75 分 （1） 计算第 i 支参赛队的单位自重承载力 1i k 、 2i k 。 第一级加载成功时，各参赛队模型的自重为 i M(单位：g)，承载质量为 1i G (单位：g)，此处 的质量除各队的承载质量外， 还包括 4 个加载托盘及加载线的总量， 每个托盘+加载线按 500g 计算，单位承载力为 1i k： 11 / iii kGM 单位承载力最高的小组得分 35，作为满分，其单位承载力记为
