2023年第十届全国大学生结构设计竞赛赛题.doc

第十届全国大学生结构设计竞赛赛题
大跨度屋盖结构
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赛题背景
随着国民经济的高速发展和综合国力的提高，我国大跨度结构的技术水平也得到了长足的进步，正在赶超国际先进水平。改革开放以来，大跨度结构的社会需求和工程应用逐年增长，在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、铁路旅客站及各类工业厂房等建筑中得到了广泛的应用。借北京成功举办2023奥运会、申办2023冬奥会等国家重大活动的契机，我国已经或即将建成一大批高标准、高规格的体育场馆、会议展览馆、机场航站楼等社会公共建筑，这给我国大跨度结构的进一步发展带来了良好的契机，同时也对我国大跨度结构技术水平提出了更高的规定。
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总体模型
总体模型由承台板、支承结构、屋盖三部分组成（图-1）。

图-1 模型三维透视示意简图
2.1 承台板
承台板采用优质竹集成板材，标准尺寸1200mm×800mm，厚度16mm，柱底平面轴网尺寸为900mm×600mm，板面刻设各限定尺寸的界线：
（1）内框线：平面净尺寸界线，850mm×550mm；
（2）中框线：柱底平面轴网（屋盖最小边界投影）尺寸，900mm×600mm；
（3）外框线：屋盖最大边界投影尺寸，1050mm×750mm。
承台板板面标高定义为±0.00。

图-2 承台板平面尺寸图
2.2 支承结构
仅允许在4个柱位处设柱（图-2中阴影区域），其余位置不得设柱。柱的任何部分（涉及柱脚、肋等）必须在平面净尺寸（850mm×550mm）之外，且满足空间检测规定。（即规定柱设立于四角175mm×125mm范围内。）
柱顶标高不超过+0.425（允许误差+5mm），柱轴线间范围内+0.300标高以下不能设立支撑，柱脚与承台板的连接采用胶水粘结。
2.3 屋盖结构
屋盖结构的具体形式不限，屋盖结构的总高度不大于125mm（允许误差+5mm），即其最低处标高不得低于0.300m，最高处标高不超过0.425m（允许误差+5mm）。
平面净尺寸范围（850mm×550mm）内屋盖净空不低于300mm，屋盖结构覆盖面积（水平投影面积）不小于900×600mm，也不大于1050×750mm，见图-3。不需制作屋面。
屋盖结构覆盖面积（水平投影面积）不小于900×600mm，也不大于1050×750mm。但不限定屋盖平面尺寸是矩形，也不限定边界是直线。
屋盖结构中心点（轴网900×600mm的中心）为挠度测量点。
2.4 剖面尺寸规定
模型高度方向的尺寸以承台板面标高为基准，尺寸详见图-4、5。

图-3 屋盖结构尺寸图

图-4 结构剖面图A

图-5 结构剖面图B
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模型材料及制作工具
3.1 竹材
竹材规格及数量如表-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
数量
竹皮
1250mm×430mm×0.50mm
本色侧压双层复压竹皮
4 张
1250mm×430mm×0.35mm
本色侧压双层复压竹皮
4 张
1250mm×430mm×0.20mm
本色侧压单层复压竹皮
4 张
竹条
900mm×6mm×1mm

40根
900mm×2mm×2mm

40根
900mm×3mm×3mm

40根
900mm×6mm×3mm

40根
注：竹条实际长度为930mm。
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
0.789g/cm3
150MPa
65MPa
10GPa
3.2 粘结胶水
502胶水12瓶（规格30克/瓶）。
3.3 制作工具
（1）每队配置工具

图-6 测试附件
美工刀（3把），3.0m卷尺（1把），1m钢尺（1把），1.2m丁字尺（1把），45cm三角板（1套），16cm弯头带齿镊子（1把），砂纸（6张，粗砂、细砂各3张），5件套锉刀（1套）、剪刀（2把）、棉手套（3副）、签字笔（3支）、HB铅笔（2支）、透明胶带（1卷）、6吋模型剪钳（2把）、切割垫块（1块）、工具收纳筐（1个）。
（2）公用工具
裁纸刀A3（10台）、空间木星模型检测块（4个）。
3.4 测试附件
测试附件为100×100×0.8mm的铝片，重17.5g，用于挠度测试。如图-6。重量不计入模型重量。
铝片中心刻有直径10mm及直径50mm的圆痕。
3.5 屋面材料
屋面材料采用柔软的塑胶网格垫，厚度约3mm。尺寸为1.5:1的矩形，四周切为弧形，具体尺寸：长约108cm，宽约72cm，切弧半径为175mm，以满足重量1kg为准（误差0.5g），中间位置开直径80mm的圆孔（挠度测试之需），详见图-7。

图-7 屋面材料
3.6 加载材料
加载材料采用软质塑胶运动地板（图-8，9），尺寸950mm×650mm，四周切为弧形，中央开直径80mm的圆孔（挠度测试之需）。
加载材料厚度约2.4mm。单块重量2kg，误差控制在1g以内，大于2kg的部分通过均匀开小孔（孔径10mm）的方式减去，小于2kg的粘贴小块材料补足。

图-8 加载材料尺寸图

图-9 加载材料尺寸图
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模型制作规定
4.1 模型的承台板由竞赛主办方统一提供，板长边中点处标注承台板自重（精确到1g）。各参赛队不得对其进行任何致重量改变的操作，如打磨、挖空，削皮，洒水等，否则视为违规，取消比赛资格。
4.2 模型的其余部分由参赛队制作。模型结构的所有杆件、节点及连接部件均采用给定材料与粘结胶水手工制作完毕。
4.3 测试附件粘贴规定
（1）测试附件（铝片）粘贴于屋盖结构中心处（见图-3~5），且铝片中心区域（直径50mm）表面应平行于承台板面。屋面材料铺设后，必须能与铝片接触。
（2）铝片必须直接牢固粘贴在与屋面网垫接触的杆件上，第一阶段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。
（3）若中心区域无杆件，则需由参赛队自行增长杆件连接，增长的杆件计入模型重量。
4.4 模型提交时应组装为整体，即将承台板、支承结构和屋盖结构用胶水装配成整体。
4.5 模型制作时间为14小时。模型应在规定的制作时间内组装为整体，此后不能再有任何实质性的操作。
4.6 比赛中提供的制作台尺寸1220×2440mm，台面高度720~750mm。
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模型净空检测及称重
5.1 模型净空间检测
用标准净空模块（850mm长×550mm宽×300mm高）沿纵向及横向穿越模型内部，如不能通过，则视为模型不合格。
5.2 屋盖平面尺寸及高度检测
用激光水平仪和卷尺检测屋盖平面尺寸及高度，满足下列规定之一者视为不合格。
（1）屋盖平面尺寸最大处超过允许值（1050、750）+10mm（每侧+5mm）；
（2）屋盖平面尺寸最小处超过允许值（900、600）-10mm（每侧-5mm）；
（3）屋盖厚度超过允许值（125mm）+5mm。
5.3 模型称重
模型整体称重后，减去承台板及测试附件（铝片）的重量，即为参赛模型的重量Mi。
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模型加载及评判
6.1 加载方式
模型加载采用静加载的形式完毕，所加荷载为屋面全跨均布荷载，荷重用软质塑胶运动地板模拟。
6.2 加载准备
（1）模型置于加载台上，调试位置。使位移计激光投射于铝片中心直径为10mm的圆痕区域内，完毕定位。
（2）调整激光位移计高度。使激光位移计底面至铝片中心的垂直距离为100±25mm范围内。
（3）布置摄像头。模型净空范围内设立摄像头，观测受力过程中结构的变形。
6.2 加载过程
先铺屋面材料，作为预加载，然后位移计读数清零。模型加载分为两个阶段：
6.2.1 第一阶段：标准加载14kg（七张胶垫）
（1）先加第一级，6kg（三张胶垫逐张加载），完毕后持荷20秒，测试并记录测试点挠度值。
（2）再加第二级，8kg（四张胶垫逐张加载），完毕后持荷20秒，测试并记录测试点挠度值。
第一阶段加载时的允许挠度为[w]=4.0mm。
6.2.2 第二阶段：最大加载
第二阶段的最大加载量由各参赛队根据自身模型情况自行拟定，可报两个级别（定义为第三级和第四级），并应在加载前上报。荷载级别为胶垫的数量（即2kg的倍数）。
（1）先加第三级，按上报加载量一次完毕加载，持荷20秒，如结构破坏，终止加载，且本级加载量不计入成绩；如结构不破坏，继续加载。
（2）再加第四级，按上报加载量一次完毕加载，持荷20秒，加载结束。如结构破坏，本级加载量不计入成绩；如结构不破坏，本级加载量计入成绩；
第二阶段加载时不进行挠度测试。
6.2.3 加载过程由参赛队队员完毕。
6.2.4 自预加载开始，至加载结束，时间控制在6分钟以内。（第四级加载后的持荷时间不计入6分钟内）
6.3 评判标准
6.3.1 第一阶段
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（即第二级加载出现此情况，加载项成绩算第一级加载成功的成绩）；
（1）模型结构发生整体倾覆、垮塌；
（2）屋面杆件脱落；
（3）挠度超过允许挠度限值[w]的1.10倍。
6.3.2 第二阶段
（1）加载过程中，若模型结构发生整体倾覆、垮塌，则终止加载，本级加载及以后级别加载成绩为零（即第三级加载出现此情况，加载项成绩算第二级加载成功的成绩）；
（2）加载过程中，若模型结构未发生整体倾覆、垮塌，但有局部杆件的破坏、脱落或过大变形，则可继续加载。
6.3.3 每队加载成绩由各级加载成功时，计算所得荷重比分数和刚度分数组成。
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评分项及评分标准
7.1 模型评分项及分值
模型评分项共五项，总分100分，其中涉及：
（1）计算书以及设计说明——10分
（2）结构选型与制作质量——10分
（3）现场表现 ——5分
（4）模型承载力——60分
（5）模型刚度 ——15分
7.2 评分标准
7.2.1 计算书以及设计说明——10分
（1）计算内容的完整性、准确性 6分
（2）图文表达的清楚性、规范性 4分
7.2.2 结构选型与制作质量——10分
（1）结构合理性与创新性 5分
（2）模型制作质量与美观性 5分
7.2.3 现场表现——5分
（1）赛前陈述 3分
（2）现场答辩 2分
7.2.4 模型承载力——60分（第一阶段加载，35分；第二阶段加载，25分）
（1）计算各参赛队模型（i）的单位自重承载力m1i、m2i
按式（a）计算：
， （a）
N1 ——第一阶段加载成功时的加载荷重（涉及屋面重量）；若两级加载均成功，承载力为两级加载块重量和屋面材料重量之和，即N1=15kg；若仅第一级加载成功，承载力为第一级加载块重量和屋面材料重量之和，即N1=7kg。
N2i——第二阶段加载时，本队模型的加载荷重，单位：kg；
Mi ——本队模型的自重；单位：g。
（2）模型承载力得分Ci
按式（b）计算：
（b）
m1,max——第一阶段加载时，所有参赛队模型中单位自重承载力的最大值；
m2,max——第二阶段加载时，所有参赛队模型中单位自重承载力的最大值。
7.2.5 模型刚度——15分（仅第一阶段加载）
按以下方式计算模型刚度得分Ki
（a）当wi≤[w]时
（c1）
（b）当[w]＜wi≤1.10[w]时
（c2）
（c）当wi＞1.10[w]或wi＜0时
（c3）
wi ——第一阶段加载成功时，本队模型的挠度（mm），向下为正。
[w]——第一阶段加载时的允许挠度，[w]=4.0mm。
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计算书规定
8.1 计算书内容规定
计算书应涉及以下内容：
（1）赛题解读
（2）结构选型分析及结构方案
（3）构件尺寸
（4）计算分析
（5）第二阶段加载所需的重量（两级）
（6）必要的图纸
8.2 计算书格式规定
计算书格式规定详见附件。