2013年华东赛区结构竞赛心得
-----05112511周正
个人觉得，今年的华东赛体验对我自己来说是一次很难忘的经历，我为此付出了好多，翘了好多课，熬了好多夜，错过了许多自己非常想参加的活动，到最后，结果却不甚理想。但是，这次上海之行却也给我带来了许多灵感与激励。毕竟，不同于其他参赛小组，我们只是一群大学二年级的学生，没有过硬的专业知识作为后盾，在结构创新的比拼中输给学长学姐们也是理所当然的。更重要的是，那些天马星空的作品，给我带来了极大的冲击，让我更加了解了土木工程的魅力。以下，就是我这将近一个月来的心得与体会。
1.从自身的反思
从开始拿到这个赛题，我们小组三人对几点要求做了详细的探讨和研究――一个大跨结构的理想模型――拱。于是我们便在绘图软件中对其大致形态进行了模拟，其中包括对净空的要求，模型上下界限的限制，但实际操作中我们也遇到了很棘手的问题——如何将木条弯成一个拱形，又不致过度浪费材料。我们进行简单的分析计算后仍然没有得到较好的解决方案，于是便放弃了这个方案（但事实证明我们可能放弃了一种可行性很高的方案）。但我们采取了一种曲线救国的方式，以一种逼近的方式模拟出一个拱这样就可以最大程度上拟合我们最初的方案。
如图侧面可以看出，我们把最大净空隔出，使用箱型柱和工字梁为主要构件，两榀之间用几段工字梁连接，结构刚度很大，绝对富余（加载结果也正是如此）。对于状态一的加载我们采用了扁担梁的设计将荷载均匀分布到两端的工字梁上。状态二加载在偏心的工字梁上，状态三却加载在抗弯而横向抗拉能力较差的工字梁上，这个问题也在后来减轻质量后渐渐显现出来。总体来说，这个结构将以刚克刚的结构特性体现了出来，这也说明我们的结构存在较大的方向性错误，之后我们也是一直往这方向改进，这也是我们不能更进一步的原因。
第一轮加载我们取得了不错的效果，之后我们在这个模型的基础上减轻了部分杆件的尺寸，并且将上弦的形状改为了三角形，这个模型的确减轻了不少质量，
但是，在稳定性方面显然不如第一个方案。我们总结了部分原因，除了质量的减少，就是上弦的连接显然没有第一次那么紧密，导致整体结构的稳定性受到了较大影响。幸运的是，这个模型还是撑过了全部四轮加载，称重后大约有143克。对于这个结构，我们决定进行大改，直接将脚撑延伸向上，这样可以节约很大的空间，同时也带来了许多意想不到的麻烦。
按照我们改进后的方案，本来作为受压的杆件将受到极大的弯矩。后来照这个方案实验的几个模型也证实了这一点，在状态二的加载中，这根杆件会很容易被弯断。因此，我们也是放弃了这方面的尝试，但上海一行的见识让我们知道并不是方案不行，而是我们没有找到很好的解决方案罢了。
多次修改之后，我们才定下了我们最后的方案，但是我们的方案在体系上存在较大的漏洞，有点以刚克刚的意味，这就意味着我们在自身重量上不仅占不到多大便宜，结构在受力也不能最大程度上达到预期效果。
总的来说我认为我们这次的模型并不是很成功，在经过了多次修改之后也没有做出更好的改进，但是，从另一个角度来说，我们毕竟只是大二的学生，在经历了这次模型的制作后，我们也积累了许多有用的经验。
①杆件的处理：
在去年的趣加组比赛中，我已经接触过模型制作，但当时不允许杆件的粘连，因此对杆件的多样性并没有过多的认识。但今年参赛之后，自己也查找了许多资料，看了科协学长上传的工艺视频，获益匪浅。
⑴板的裁剪
由于供给的材料包括2mm和1mm厚的薄板，而供给的杆则全为2mm厚，这就意味着如果我们需要大量使用1mm的杆，那么我们就需要大量处理板件。在网上资料中，我们学到了处理短板裁剪的方法——先描好所需杆件的宽度，只需多描几个点即可，然后用尺子对齐，按紧尺子，用美工刀轻划数下，即可割下。到后来，我们又借鉴了另一小组的方法，即在轻划的基础上不划断木板，然后将断面轻轻翻折，把粗糙面用砂纸打磨，直至杆件分离。这样处理不仅可以加快加工速度，杆件光洁度也大大提升了。
⑵复合杆件的加工
这次比赛给我第一个提升应该说是对复合杆件制作的认识加深，往往对杆件的认识仅仅局限在单一杆件的受力，而在模型的制作中我们才认识到各种杆件独特的力学性能及其优缺点。这些杆件应该说是对现实的中实际应用的借鉴应用，例如工字梁之于工字钢。这些复合杆件就是在受力分析后舍弃受力较小的部分面积后得到了的结果，这就在很大程度上节约了模型质量。
工字梁：由上下两个底板和之间的腹板构成，上下两元和之间杆件垂直摆放，这就决定了它有良好的抗弯能力，但是对于横向力，抗弯能力较差。而我们第三级加载就是一个横向力，我们却把加载点放置在工字梁上，这不可谓不是一个失误。
箱式柱：上下两板夹住中间两板，和工字类似，但较之工字梁，抗弯抗压能力均有很大的提升。根据箱的尺寸不同，还可以在较细的杆件中加上隔片，可以很大程度上改善其力学性能。
②节点和柱脚的处理
在杆件之间的交界处，往往只用胶水粘结，很可能会在受力时有开胶的风险，为了避免这种情况的出现，我们也有自己的方式。（以下为自己制作心得，但是比起其他学校的学长学姐，才发现差了好远。）
⑴放置小块
柱脚节点小块
加上小块后，可以增大节点和板面的接触面积，可以较大程度上使节点稳固。
⑵木屑处理
后期结构完成后，在节点处使用木屑填充在节点处，再滴加少量胶水即可大大提高结构稳定性。
③对结构的认识
通过这次结构竞赛，我们不仅仅锻炼了模型制作的工艺和注意事项，还积累了一些专业性的小知识，对桁架结构也有了更深的认识，当然，之于结构体系，其合理性对模型的后期潜力起了一个十分重要的作用。其次，在某些杆件的选择上也有十分巧妙的艺术，是选择撑杆还是拉条，对于结构是否能够减重都将起到至关重要的作用。
2.上海的学习借鉴之旅
之于我个人，这次上海之行对我更多的并不是从自身失败上找问题，而是从其他组优秀的体系与思想上寻找可以借鉴和模仿的东西，这不仅仅可以拓宽我原先狭隘的思路，还能学到许多平常教学中无法知晓的东西。简言之，我可以获得的知识是实践性的，于课本之上而能结合课本知识的实用理论。
从结构本身的层面来讲，所有参赛队只要分成三种。
①拱桥
在参赛第一天，我们就观察了其他各个小组的模型制作，较为出乎意料又在情理之中的是有许多参赛队都选择了拱结构。因为这个结构是我们最原始的构想，却又因不能实现而放弃。想想大家这么多人选择拱也在情理之中，但他们如何制出拱模型也着实让我们捉摸不透。估摸了一下，大约会有七八组采用了这个结构，各个组的方式也是各有千秋。
举个简单的的例子，像下面南京工业大学的两队虽然也采用了拱的模式，略带一点桁架拱的意味，上下两层形成双拱，但是在结构上过于简单，所有构件都利用粗大的尺寸完成，虽然真的在位移上做到了岿然不动，但在重量上就会十分吃亏。虽然如此，但还是被他们精美的工艺所打动。在模型制作的过程中，这两组大致采用一个制作流程，即在事先做好的大板上描好事先计算的点，然后将细杆弯成那个弧度，然后在进行精加工。手工的精细程度的确可以让人好好学习。
在这次比赛中，当然还有许多拱桥是在质量和重量上都十分完美的组别，像华侨大学的两个拱无论在制作工艺还是加载能力上都做到了非常理想。下面两图是他们未完成时的模型，但已经可以看出一个大致的雏形。他们的大致构型也十分相近，但其中一组采用了板件直接粘贴的方式还是让我很惊异，但效果似乎不错。他们都没有采用桁架拱，而是在拱的内侧进行补充连接，让力进行传导。两榀之间也是利用拉条连接而没有其他刚度较大的构件，说明其单榀的强度已经很大，这也体现了拱的优越性。
②桁架结构
应该说这次参赛队伍最多的选择还是桁架结构，这也是在现实大跨结构中有极多的应用。但桁架的优劣也是十分明显，在参赛作品加载中崩掉的大部分都是桁架结构，我们也算是吧，但成绩优秀的也不少，像合肥工业大学，同济大学等等。
个人还是对合肥工业大学的模型最感兴趣，而老师也说他们的模型也是最具参考和借鉴意义的。
他们采用的就是一种双层桁架结构，第一状态采用的是木条的抗拉，以此减轻了对横梁的负载压力。这只是他们作品强大的一个缩影，我还惊叹于他们杆件的做工精细，他们对节点处理的精致，他们结构体系的合理，以致他们可以将作品重量限制在45克左右，而且在加载中结构还能保持在一个十分稳定的状态。他们的每一根杆件都有一个特定的尺寸，肯定是经过完美的检验才得到的尺寸。
除此以外，还十分有借鉴意义的应该要说是同济大学的其中一个作品以及南航的一个作品。
同为桁架结构却有不一样风貌的要数同济大学的这个作品了，和合肥工业大学相似的结构，但在模型的大小上却改动颇大，且加载一的方式就决定了它比那个结构稍逊一筹，因为这种加载方式无疑需要补强横梁的尺寸以增强其抗压能力，但这仍然值得我们学习，毕竟这是曾经想到，却没有完成的模型。
当然，还有南航的一个模型，那可以说是另一个极端了，因为它只有单层结构，但是，这个模型补强了所有受应力较大的杆件，舍去了所有不必要的附杆，还采用了变截面的箱型柱来增大应力，十分难能可贵。值得一提的是，采取这种极端的方式后，模型质量仍然在60克上下，令人震惊。
③拉索结构
毫无疑问的是，在上海见闻中最令人惊叹的结构还是拉索结构，合计共有四组采用了拉索结构，分别为上交两队，上大一队，南航一队，比赛结果也是充分说明了这一结构的合理性。当然，其中的佼佼者上交的两个模型以其出色的设计和精致的做工分列一三，为人惊叹。
由于木质杆件的各向异性，决定了它在抵抗各个方向的受力效果上也是不尽相同，尤以抗拉效果最佳，出于这一点，只要在结构设计是尽量利用到这一优势，那么，结构在先天设计上必然会占据优势，而我们在设计的时候却仅仅将拉条用来连接两榀之间的联系，根本没想到利用抗拉来承受荷载。而做出这一结构的小组，无疑有很好的灵感，也是付出了许多努力。
如上图中所见，拉索结构主要由桥塔，拉索，脚撑部分组成，刚柔并济。而上交的两个模型更是将抗拉的优点做到了极致，三个加载工况均采用拉条来抵消荷载，这一设计大大减小了结构自重，结构整体很柔软，但是，在外加荷载的作用下，反而更加稳定。对于这种模型，也只能学习膜拜了。
3它山之石可以攻玉
在看了这么多模型之后，第一点是被它合理的设计所折服，而这也需要以良好的力学作为基础，扎实的软件分析为辅，第二点打动我的自然是在他们模型制作中所运用的精细的工艺。只有良好的构思，而缺乏实践能力自然是不能得到最好的模型，只有两点都有所精通才能做出优秀的模型。对于其他人的优点，自然要好好学习借鉴。
①杆件制作
原以为箱型截面的空心柱已经可以较好地受力，但是观察了其他组的细部构件后才发现，真的是山外有山。
⑴变截面的箱
由于每个截面的受力不尽相同，因此，为了合理利用材料，最大限度地减轻结构自身重量，同时，适当在受力大的地方增粗截面还可以使结构更加稳定。但是，变截面的制作也是非常困难。需要利用力学分析软件计算各个位置的受力情况，然后精准地画出杆件进行裁剪和粘贴，还可以利用薄板和小块填充使变截面更加稳定。
如左图的变截面，就很直观地看出它在加载时这根杆件上的受力情况，但其制作工艺至今不得而知，只能日后自己琢磨或是学习了。
⑵抛物线形的杆件
当然，除了变截面外，还有一个也能很好地发挥杆件力学性能的就是抛物线形的杆件，对于其制作工艺同样我也不甚知之，但这种构件颇有预应力的味道，在受压时发挥了良好的效果。从侧面和正面来看，颇有些輮以为轮的味道，推测是侧面板为截出，上下顶板为弯成。
⑶拱的制作
参赛组中拱的制作也是形形色色，有像南工大那样比较厚重的，自然也有轻巧的，但是，最让人感到叹服的还是下图中的拱，上下两个底板受弯形成拱，而夹在中间的腹板居然是小段的细杆拼接而成，细缝处理地完美无缺。
⑷压杆的连接
在南航的一个模型中，我们发现了一个十分奇怪的杆件，在两榀之间他们并没有使用拉条而使用了压杆，并且在两杆交界处断开一杆粘连在另一杆上，使结构的刚性大大加强。
②节点处理
除却我们已知的处理节点细节的方式，我们还从外校学习借鉴了不少东西，像他们对拉条的处理，对小块的使用，对节点处的保护都让我们大开眼界。
⑴拉条处理
绷拉条原本就是一项技术性很强的活，但合肥工大的同学在这方面却也还有办法减轻质量，他们裁细之间部分，留两端较宽，这样既保证胶水连接接触面积，也小小地剪了质量，而且，看上去十分美观。
⑵小块使用
我们发现，一些队伍对于小块的使用已经是十分熟练，一方面用以增大胶水连接处的面积，另一方面，还用来作为加载的受力点，如合肥工大和一些拉索桥。
⑶节点处理
之于一些节点处，一些参赛队也是煞费苦心，做了许多工作，在节点处使用小块小板连接。仅选取少量几个比较有特色的做法。
总结
经过了本次上海之行,积累了不少的经验,当然,也算是为我这一个多月的努力画上一个小小的句号,这也为我今后的结构竞赛打下了一个基础,希望可以以此为起点,今后有更好的成绩,当然,还有重在参与。
