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1、山东理工大学大学生实践创新训练自主项目结题报告项目名称：山东省大学生结构设计竞赛指导学院：建筑工程学院 项目申请人：仝明萍项目成员：付森熊鹏张燕孙世杰指导老师：李忠梅2010.05-2010.11前言第_章绪论1.1结构设计大赛的发展情况1.2开展大学生结构设计竞赛的意义1.3本报告的主要内容第二章材料及常用工具简介2.1材料的选择2.2常用工具使用方法简介2.3结构设计大赛常用软件第三章结构选型3.1结构体系概述3.2整体布局3.3竖向布局3.4平面布局（偏心）3.5杆件形状及尺寸确定3.6结构方案的优化第四章 模型制作及模型的质量检测4.1准备工作4.2主要构件的制作加工的基本知识4.3辅
2、助构件的制作4.4设计、加工、装配技巧及制作工艺简介4.5定位与拼装4.6模型质量检测第五章 撰写理论方案说明书5.1实物模型计算模型5.2模型简化、计算简图5.3荷载分析5.4结构验算5.5创新点说明第六章第三届山东省大学生结构设计竞赛获奖作品选编6.1竞赛简介6.2日程安排（参赛学生）6.3竞赛规则6.4竞赛评审细则6.5大赛的基本流程及可能遇到的问题6.6选手比赛经验前曰近年来，结构设计大赛作为土木工程类专业大学生的一项常见赛事，越来越 受到广大学子乃至高校老师的关注。山东理工大学于2002年成立建筑工程学院并开设土木工程专业。我学院自成 立伊始，院领导高度重视学生创新能力、实践能力的培
3、养，积极组织优秀教师组 建结构设计大赛指导教师团队，着力指导学生准备结构设计大赛。2009年11月，我校组队参加了在中国石油大学（华东）举办的山东省第三 届结构设计竞赛，并取得优异成绩。回顾大赛始末，有很多经验与教训需要进行 较为系统的总结，以此为今后学校组织参加结构设计竞赛提供一份样本，这就是 这本竞赛指导编写的由来。第一章绪论1.1结构设计大赛的发展情况大学生结构设计大赛是由教育部批准支持的九个全国性大学生科技创新赛 事之一，是一项极富创造性、挑战性的科技竞赛。它旨在通过对所学知识的综合 运用和团队精神，提高同学的动手能力与思维能力，突出创新精神，加强同学之 间的合作与交流，培养团队精神，
4、丰富同学的课余生活。通过结构设计大赛可以 很好地将课堂理论与实际工程紧密结合起来，提高大学生的设计与计算能力。本 竞赛为高等学校开展创新教育和实践教学改革、加强高校与企业之间联系、推动 学科创新活动也起到积极示范作用。全国大学生结构设计竞赛由国家教育部、住房和城乡建设部、中国土木工程 学会主办，部分高校承办，赞助单位协办。在我国部分省市（如山东省、黑龙江 省）、地区（如华东地区）以及高校内部（如清华大学、哈尔滨工业大学）也有 类似形式的比赛。目前已经在国际上广为流行，如世界大学生结构设计比赛，东 南亚地区大学生结构设计比赛等，所采用的结构设计材料由原来的纸、木材、胶 水等逐渐向钢化玻璃、金属、
5、合成纤维等新材料转变，制作的模型也由普通的建 筑、桥梁等向空间结构模型、大型复杂设施模型转变，对大学生的创新能力、动 手能力，综合运用力学知识的能力，甚至冒险尝试等能力和素质提出很高的要求。山东省结构设计竞赛至今已经成功举办过三届，每两年举办一次。2005年， 由国家教育部高等教育部和中国土木工程学会教育工作委员会联合主办，在青岛 理工大学举行了山东省第一届大学生结构设计竞赛，比赛的题目是：“高层建筑 结构模型的制作和加载试验”。山东省第二届大学生结构设计竞赛于2008年10 月由青岛理工大学承办，竞赛题目是：“两跨两车道桥梁模型的制作和移动荷载 作用的加载试验”。2009年11月，由共青团山
6、东省委、山东省学生联合会、青岛市科学技术学 会主办，由中国石油大学（华东）承办了第三届山东省大学生结构设计竞赛，此 次竞赛共有包括哈尔滨工业大学（威海）、济南大学等16所高校，45支队伍参 加。竞赛题目是：“承受水平动载的木结构模型设计”，要求参赛团队在8小时 内完成结构设计和模型制作，并需成功实现结构模型加载试验。1.2开展大学生结构设计竞赛的意义大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的 学科性竞赛。本竞赛为高等学校开展创新教育和实践教学改革、加强高校与企业 之间联系、推动学科创新活动起到积极示范作用。随着科学与经济的发展，社会迫切超大规模高等院校培养出越来越多的具有
7、 创新精神和综合能力的高素质人才。结构设计竞赛激发了学生的创新精神。实践 证明，高校学生在学习期间参加各类结构设计大赛不仅能帮助学生深入理解和掌 握理论知识，而且能提高学生进行科学探索与研究兴趣，养成严谨求实、勇于创 新的科学态度，学习解决问题的思路、方法和手段，丰富实践知识，锻炼动手能 力、交流能力，增强团队精神。同时，结构设计竞赛对学生提高课程设计、毕业 设计的质量也有很大的促进作用，甚至对学生的就业也会带来很大的帮助。1.3本书的主要内容结构设计大赛交给我们的设计任务往往与我们接触到的专业课程不能很好 的统一，这主要是因为在本科阶段我们所涉及的课程主要与实际工程相结合，而 大赛与实际工程
8、的差异性可见一斑，如所用材料、规模等。因此，本篇内容的编 写力求紧紧扣住结构设计大赛，将所涉及的理论从我们的课程中提取出来，以便 直接应用。但由于水平极其有限，相当一部分内容我们还是按照实际工程结构设 计的理论汇总过来。在本书中，第二章内容就材料的选择，材料的力学特性，结构设计大赛常用 制作工具，工具的使用方法作了详细的介绍。第三章介绍结构选型，从理论上让 大家对结构设计有初步的认识，第四章和第五章对模型制作、质量检测进行详尽 讲解，使大家对结构设计的系统操作有进一步的了解，着重介绍理论设计说明书 的撰写步骤和具体内容，对于一些常用计算理论也做了简单介绍。第六章简要介 绍一些在大赛中常用到的一
9、些试验技术以及模型制作过程中应该注意的一些问 题。本书内容的编写力求紧紧扣住结构设计大赛，将所涉及的理论从我们的课程 中提取出来，以便直接应用。但由于水平及其有限，相当一部分内容我们还是按 照实际工程结构设计的理论汇总过来。第二章材料简介及常用工具2.1材料的选择要做出好的作品必须对比赛所用到的材料有充分的认识，尽可能的搜集材料 的一些相关信息，也可通过简单的实验来了解材料的各项性能，南方一般采用白 卡纸，北方偏向于木材，山东省内近几届结构设计竞赛的材料均为木材，本文就 以木条等特点对结构设计做系统的介绍，对于白卡纸，只对其材料特性，制作工 艺中的诸多技巧做简单介绍。材料的强度对结构的承载力的
10、影响较大，可以说材料的强度直接决定了模型 的承载力。在材料优劣的鉴定方面很多都要依靠经验，见的多了自然就知道哪种 颜色、密度的材料符合自己的要求。一、木材木板，厚1 mm，宽55 mm木条，规格：2X2 (mm)，2X4 (mm)，2X6 (mm)，2X8 (mm)。弹性模 量1.0 104MPa，抗拉强度30MPa，比重0.5。木材的强度主要是指其抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。由于木材的构造各向 不同致使各方向强度有很大差异，因此木材的强度有顺纹强度和横纹强度之分。 木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多，所以在模型制作过程中要充分利用它的 顺纹抗拉、抗压抗弯强度而避免使其横向承受拉力或压力。当木
11、条无缺陷时，其 强度中顺纹抗拉强度最大，其次是抗弯强度和顺纹抗压强度。但有时却是木材的 顺纹抗拉强度最高，这是由于木材是自然生长的材料在生长期间或多或少会受到 环境等不利因素的影响而造成一些缺陷，这些缺陷对木材的抗压强度影响很小， 但对抗拉强度影响极为显著，从而造成抗拉强度低于抗压强度。所以在选材或使 用的过程中尽量避开有木节、斜纹、夹皮等缺陷的劣质木材，才能有效的在源头 保证材料的强度。表1.1结构构件材料特性表材料类型截面尺寸mm拉应力 mpa压应力 mpa备注木板1X553010-15有木节、斜 纹、夹皮等缺 陷的木材，其 抗拉、抗压、 抗弯和抗剪强 度都会降低木条2X23010-15木
12、条2X43010-15木条2X63010-15木条2X83010-15木条2X103010-15、白卡纸根据组委会具体采购的不同，其实际质量从210g至250g不等，结构设计 大赛中比较常见的为230克/张的白卡纸，即每张A0幅面的纸重230克。常用 粘结剂为白乳胶，这两种材料具有以下特点：1、顺纹和逆纹：此次比赛的材料是230克/张的白卡纸，开始我们先用白卡纸做 了许多小的模型做了性能测试，发现存在顺纹和逆纹。沿着顺纹方向，纸的抗拉 性能极好，逆纹则不然，而且沿顺纹方向裁剪也会更容易一些，所以制作时应让 顺纹与模型长方向一致，能够更好的发挥白卡纸的抗拉性能。2、水的作用：制作模型的创意是无限
13、量的，如果需要卷管件，由于白卡纸有一 定的厚度和硬度，而且随着需要的管件直径的减小，制作难度会很大，对此可以 先用水将纸的一面润湿再进行制作，此时白卡纸不仅变软，而且会向无水的一面 自然卷曲，事半功倍。3、剖纸：由于选用的白卡纸是由三层压制而成，在模型制作的后半阶段，为了 进一步减轻模型自重，许多组进行了剖纸，即将白卡纸的一层光面整个剖下来作 为模型上下表面。具体做法是，将裁好尺寸的白卡纸一面整体用大面积的水面浸 湿，比赛时自带洗脸盆盛满水就可以做到了。4、光面与粗糙面：虽然表面看起来选用的白卡纸两面都是白色，但如果细心观 察还是会发现存在光面和粗糙面的区别。在连接时，两粗糙面的粘结效果会更好
14、， 所以内部连接多采用粗糙面，在模型表面则多选光面向外，这样会比较美观。5、白乳胶：比赛规定用的是三维牌白乳胶，不同品牌的白乳胶以及粘结剂的稠 度和粘结效果是有不同的。关于三维牌白乳胶我要说的是，涂抹均匀很重要，这 样做好直面水分也会比较均匀，涂完白乳胶后不要急着将纸粘起来，可以待白乳 胶里的水分散失大部分后再将构建粘结起来，这样做有很多好处，首先可以起到 快速粘结的作用，其次在粘结前还能发现白乳胶涂抹不均匀的地方，可以及时涂 上胶，保证预期的粘结效果。6、防止松动：如果预留的粘结面积过小或构件运用了预应力，粘结后要固定好， 防止白卡纸自身的弹力使得粘结的地方开裂。7、杆件强度：由于纸质杆件规
15、格不定，所以没有指定杆件的强度参数可参考。 在具体制作的过程中可将杆件做好后自行试验，进而对杆件强度做进一步了解。2.2常用工具使用方法简介工具是用来制作模型所必需的器械。在结构模型的制作过程中，一般操作都 是用于工加工来完成的。因此，工具的选择和使用非常重要。那么该如何选择模型制作的工具呢？ 一般来说，只要能够进行测绘、裁剪、 切割、打磨等工具就可以了，但随着制作者对加工制作的理解，也可以制作一些 特别的专用工具。材料则是结构模型构成的一个重要因素，比赛中选用的材料都是组委会提供 的，本身并无差别，但是从材料的强度、密度等特性来说，所有的材料又是不同 的，比赛中只有选择了质轻高强的材料才能做出质轻高强的模型，材料的选择尤 为重要。总之，工具和材料的选择应随着比赛要求而灵活处理。本章将向您介绍一些 建筑模型制作所需要的基本工具和材料，仅供制作者参考。一、度量工具1、三角板和半圆仪三角板用于测量、绘制平行线、垂直线、直角与任意角的量具，一般常用的 是 300mmo2、直尺和丁字尺直尺式画线、绘图和制作的必备工具。一般分为有机玻璃和不锈钢尺两种。 其常用的长度有500mm和1000mm几种，为了切割最好用把钢尺。3、圆规圆规是用来测量、绘制圆的常用工具。一般常用的有一脚是
