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摘要：针对北京航空航天大学第四届大学生建筑结构设计竞赛赛题，阐述了模型结构的设计过程，采用ANSYS有限元软件对结构模型进行模拟分析。根据计算结果，进行杆件尺寸的优化。模型结构的设计与分析过程能够为今后的参赛选手提供参考。
关键词：结构设计竞赛；建筑结构；模型设计；结构优化
本文引用格式：周耀，等.结构设计竞赛中竹质高层建筑结构模型设计[J].教育现代化,2019,6(45):167-169.
随着经济和技术的发展，高层建筑如雨后春笋般涌现。根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中的规定，高层建筑是指10层及10层以上或房屋高度大于28米的住宅建筑以及房屋高度大于24米的其他民用建筑[1]。世界十大高楼中国有六个。结构设计竞赛也越来越多以高层建筑结构设计为背景。
结构设计竞赛能够有效促进专业课程的学习，培养学生的团队意识和协作能力，发掘创新思维[2]。全国大学生结构设计竞赛由教育部、财政部联合批准资助的全国性9大学科竞赛之一[3]。从2017年开始逐步实行各省（市）分区赛和全国总决赛。本文以北京航空航天大学第四届大学生建筑结构设计竞赛赛题为例，阐述了模型结构的设计过程，采用ANSYS有限元软件建立结构有限元模型，进行杆件尺寸的优化设计。
一赛题简介
北京航空航天大学第四届大学生建筑结构设计竞赛赛题为设计并制作一个竹质多层房屋结构，示意图如图1所示。该模型要求能承受三级加载试验，完成第三级荷载，并且模型质量最轻者获胜。
竞赛组委会提供的500mm×500mm的木质底板，用于固定结构模型上。固定方式为热熔胶固定。结构模型的外轮廓尺寸为100mm×100mm×800mm。结构模型采用的材料必须为竞赛组委会提供的竹皮。该模型结构至少分3层。
所有模型将经过三级加载试验，三级荷载均为静载，荷载由小到大进行加载。加载重物由竞赛组委会提供，加载过程由各个参赛队完成。如果前一级加载失败，将不进行下一级加载试验。具体加载要求如下：
1.一级静载试验
第一项加载试验，结构顶部居中放置10kg重物（尺寸180mm×115mm）。要求重物与结构不得发生脱离，任何构件不得发生损坏，结构不得发生倾覆。本次加载持续时间为15s。
2.二级静载试验
第二项加载试验，结构顶部居中放置15kg重物（由1个10kg重物和1个5kg重物叠加，5kg重物尺140mm×90mm）。要求重物与结构不得发生脱离，任何构件不得发生损坏，结构不得发生倾覆。本次加载持续时间为20s。
3.三级静载试验
第三项加载试验，结构顶部居中放置20kg重物（由2个10kg重物叠加）。要求重物与结构不得发生脱离，任何构件不得发生损坏，结构不得发生倾覆。本次加载持续时间为20s。
二结构选型与设计
在进行结构的设计前，需要进行结构模型选型分析，以确定最优的结构形式[4]。根据赛题所设条件和要求确定结构形式后，下一步进行结构分析与模型制作。
常见高层结构型式有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、框筒结构等。实际竹材结构模型为了减轻模型质量，大多采用框架结构形式。为了提高结构抗失稳能力，对于1米高模型，通常分为4-5层，杆件截面型式以三角形和四边形居多，杆件截面通常为空心截面。同时设置斜撑抵抗结构扭转破坏。本案例结构高0.8米，结构分为4层，柱截面采用空心圆环截面。
模型设计采用“强节点弱杆件，强柱弱梁”的原则，同时设置合理斜撑以抵抗扭矩等荷载[5]。通过合理设置杆件长度和截面尺寸，避免结构失稳破坏。选择杆件的截面类型应考虑结构模型的结构形式、连接方式、受力特点以及材料力学性能等[6]。由于提高截面惯性矩有利于提高结构抗弯刚度和临界失稳荷载值，在相同模型质量时，杆件截面尽可能采用空心结构形式。
三受力计算与分析
利用ANSYS有限元分析软件建立桥梁模型如图2所示。竹材力学指标为密度0.8g/cm3，弹性模量6GPa，顺纹抗拉强度60MPa，抗压强度30MPa。模型结构在第三级荷载作用下，考虑杆件截面为实心和空心情况，计算结果对比见表1。
通过方案1和方案2对比分析，减小模型杆件半径，结构模型质量大大减小，受压和受拉应力及结构变形增加。特别是受压应力超过容许值，需要改进。
方案3和1比较，由于采用空心结构，模型质量大大减小，但是应力和位移也有少许增加。方案4在方案3基础上继续减轻模型质量，梁和斜撑截面外径不变，增大截面内径。计算结果表明：模型质量减小、受拉和受压应力以及变形增加，但是在结构应力和变形容许范围内，方案4优于方案1-3，达到较为理想的效果。方案5在方案4基础上继续减轻模型质量，柱、梁和斜撑截面壁厚继续减小。计算结果表明：模型质量大幅减小、受拉和受压应力以及变形增加，但是结构应力和变形仍在容许范围内，方案5达到满意的效果。方案5变形和应力云图如图3所示。
四小结
结构设计竞赛是综合能力很强的赛事。在材料力学和结构力学理论知识指导下，完成结构选型，并借助有限元分析，优化结构模型设计，大大减小模型制作工作量，提高工作效率。
参考文献
[1]林俊武,罗森,罗炳均,等.高层建筑结构选型简述[J].建筑施工,2016,7月,1154.
[2]张佳,吴立香,彭扬波,等.山东省结构设计竞赛一等奖模型设计分析[J].力学与实践,2011,33(4):77-79.
[3]沈璐,高潮,王志云.第七届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析[J].高等建筑教育,2014,23(4):159-163.
[4]吴健,罗峥,王新龙,等.结构设计竞赛中悬挑屋盖结构模型的计算机仿真分析[J].四川建筑,2012,32(2):135-137.
[5]马肖彤,李总,杨金贤,等.第十一届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析[J].教育现代化,2017,(45):216-219.
[6]黄祖伟,黄焕椿,刘祎康,等.结构设计竞赛中模型工艺与制作方法研究[J].赣南师范大学学报,2017,(6):120-122
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