1、渡槽模型結構設計分析摘要：本文依托第十一屆全國大學生結構設計競賽的賽題，在MADIS軟件模擬 分析與大量實體模型試驗的基礎上，對設計思路、結構選型、模擬分析、結構質 量等方面進行全面優化設計，最終確定模型的結構型式及最優尺寸。本文針對此 次結構設計大賽的結構設計思路、結構選型優化、模型設計與制作以及計算模擬 分析可作為其他結構類設計競賽的指導和參考。關鍵詞:結構設計；優化；模擬分析1賽題要求及加載分析大賽賽題要求設計渡槽支撐體系，渡槽支撐模型需放置在承臺板上，承臺為 回字型結構，支承系統結構模型用于支承輸水管，可以自行選定輸水路線，但應 經過指定的兩個灌溉點A、B，即輸水管在承臺板上的正投影應

2、覆蓋A、B二點， 其結構形式不限。入水口高度為450mm,出水口高度為250mm。加載時需加滿 50KG水，且持重時間不得小于25s，否則加載失敗。卸載時間為一分鐘，且模型 中滯留水的質量不得超過5KG，否則卸載失敗。2模型優化設計針對此次比賽模型設計如下：為縮短路線、減少支撐體系數量，所以在輸水路線方面進行了改進。采用“L” 型的輸水路線，將模型簡化為兩個部分，既可以保證輸水路線通過規定的A、B 兩點，又同時減少結構的數量及材料用量。第一部分，采用桁架橋結構，上承入水管，下承出水管，一橋兩用。橋上弦 桿采用矩形截面箱式剛性桿，兩根矩形截面梁用同截面剛性桿進行橫向連接，下 弦桿用柔性竹皮代替，

3、中間采用3mm*3mm的竹條作為腹桿連接上弦桿和下弦桿， 兩側斜腹桿為0.35mm厚的竹皮粘接形成的5mm*4mm矩形截面剛性桿，大大提 升桁架的承載能力。第二部分：采用組合剛架支撐，為了保證輸水和回水，保證水管坡度，合理 設計每棉剛架高度。該部分共設置5棉剛架，每棉剛架由6mm*7mm截面的矩形 截面剛性桿組成，這些桿件，通過0.35mm厚的竹皮粘接而成的5mm*4mm的矩 形截面橫撐，兩兩連接增加整體性。通過設置不同的高度來控制整體的坡度，以 達到排水的效果，同時，結構形式簡單，傳力直接，減少材料用量。優化過程示 意圖如下所示：圖2.1“回型路線圖2.2L”型路線3模型對比分析優化3.1桁

4、架橋的優化初始設計，采用兩個桁架橋來分別承擔水管及水荷載，其缺點在于模型總質 量大，制作時間長，且采用兩個結構，相對一個結構來說危險系數增大。通過模 型優化，最終設計為采用進水管上承，出水管下承的桁架結構，初期為保證桁架 能夠加載成功，采用全剛性桁架，整體質量并未減輕。經過一段時間制作和分析， 將下弦桿由剛性桿換為柔性的拉條，極大減輕了質量。3.2剛架的優化管中加載水量逐漸增加時，柱子會產生嚴重屈曲變形，為減弱這種屈曲變形，采用增加拉條、減小桿件長細比、增加每棉剛架的平面外約束條件的方法來提高 整體承載力。為提高輸水效率，便于設置管道坡度，同時把剛架設計為依次遞升 結構。對于三角形剛架（如圖3

5、.1），腿部受剪力較大，易發生沖剪破壞且制作 時角度不易控制，拼接繁瑣，而矩形剛架傳力簡單，制作簡便，因此后期最終選 用矩形剛架。為防止矩形剛架整體失穩破壞，剛架間采用0.3mm厚4mm寬的拉 條進行交叉相連，以此來提高矩形剛架的整體穩定性。圖3.1三角剛架圖3.2矩形剛架4計算模擬分析4.1基本假定及模型建立在結構分析時，模型中所有節點按剛性連接考慮。所有結構構件材質連續均勻，均在彈性范圍內工作，即計算時不考慮結構的 材料非線性。根據以上假定通過MIDAS有限元軟件建立計算模型，所得的內力和位移作 為構件設計的依據。模擬加載使用MIDAS有限元軟件對結構施加均部線荷載，通過模擬計算得 到圖4

6、.1-圖4.4的內力云圖。4.2數據分析通過對剪力和軸力分析，可以進行以下優化：桁架橋和剛架在受荷載作用狀 態下剪力最大值均發生在橫梁與柱交接的位置，因此，在此部位的箱型桿件全部 采用加密插片的方法，有效防止了因剪力過大造成的破壞。在軸力云圖中桁架上 弦桿受壓，下弦桿受拉，與上下弦桿分別采用剛性桿和柔性桿假設相吻合。桁架 橋下弦桿軸力較大，因此制作采用6mmx1mm截面拉條，安全性能大大提高。4.2.1彎矩分析通過對彎矩云圖分析，分析優化如下：桁架和剛架在荷載狀態下的彎矩最大 值分別為19614.1N和4650.0N，且彎矩最大值發生在梁跨中部，X-Z方向最大值 發生在梁端部節點處。因此，加大

7、桁架上弦桿端部和跨中剛度能有效抵抗彎矩過 大造成的破壞。優化措施為梁端部增強剛性斜腹桿以及加強節點連接，桁架下弦 桿拉條自身張緊。4.2.2位移分析通過對位移云圖的分析，分析優化如下：桁架橋部分中間撓度最大，但在實 驗過程中，模型實際撓度值很小，不影響排水。剛架部分有統一方向的位移，為 了控制位移，不讓其失穩，在安裝過程中可設置拉條，來其整體的控制位移。圖4.1桁架彎矩圖圖4.2剛架彎矩圖圖4.3桁架位移圖圖4.4剛架位移圖5結語總的來說，這是一個成功的結構設計模型，其特點如下：此模型采用了合理的結構形式，大跨部分桁架結構具有剛度大變形小的特點， 在豎向平面和水平面具有足夠的剛度，撓度方面比較容易滿足要求。且下弦桿充分利用了竹皮的抗拉性能。充分研究了竹皮紙及竹條的各項參數，便于優化設計及軟件分析。采用了軟件的模擬計算分析和實驗緊密相結合的方法來進行模型的優化已確 定最優尺寸。實驗過程表明本次模型的設計很堅固，以125g的質量承受住了 50kg動載水 及8kg管道質量并且持載遠超一分鐘。