12 级丁大钧班金城05112615
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走出东大天大地大
——2013 年第十届华东赛一队队长金城参赛总结

    取这个题目是想表达人外有人，天外有天，见贤思齐，止于至善的意思。昨天（十月二十七日）连夜和教练组老师、队友从上海赶回南京，这一天又是跑操上课，湖区的节奏繁忙紧张，但脑海里的镜头仍旧在对焦过去的华东赛。关于赛题继去年的塔吊之后，这次的题目依旧是工程实用性的，大跨，模拟实际工程中的桥梁。赛题为了统一进行标准化加载，对模型的几何尺寸提出了一定的净空、高度、对称面的要求。提供的制作材料为不同规格的桐木材料，对于结构体系的选择不作限制，这为我们设计方案的选择提供了较大的余地。
    根据赛题的加载条件，结构模型需要在多种工况下进行工作，包括跨中承受竖向对称静荷载、跨中部位承受竖向偏心静荷载、施加竖向静荷载的同时在跨中顶部作用侧向静荷载、施加竖向静荷载的同时在跨中顶部作用侧向振动荷载。多种工况的加载条件要求结构具有较好的抵抗拉、压、弯、剪、扭组合作用的能力。同时，由于模型表现分的计算中计入了位移结果因素，因此对结构模型的刚度挠度提出了更高的要求。我们主要的设计思路是以现有的实际工程中桥梁结构形式为基础，从赛题提供的实际材料出发，通过理论分析、数值模拟和试验研究，逐步对构件布置和节点细部进行优化，组建受力合理、刚度均匀、连接可靠的空间结构体系。赛题对结构的竖向刚度和侧向刚度均有较高的要求，而拱结构是简洁高效的竖向受力结构，因此我们的模型灵感来自于有着较高刚度的拱，通过空间杆件的连接，组合成空间受力体系以抵抗竖向和水平荷载。在保证较少的材料用量和结构自重情况下，更加高效的承受外荷载。
    最初，我们设计了整体截面为两个对称三角形的空间桁架体系，试验表明此时的结构模型完全可以承受各种工况的作用，且能够获得较好的刚度效果，但是考虑到该方案耗费了较多的材料，模型总质量较大，因此需要继续进行方案优化。我们首先将联系两榀侧桁架之间的刚性杆件改为柔性杆件，即用数根斜拉条将直接承受各种荷载作用的两榀刚性桁架联系起来，并且在跨中位置设置刚性水平系杆。当外荷载作用时，两榀刚性桁架将整体协调作用，这一结构方案形式简洁，刚柔并济，拉条充分利用了木材抗拉性能好的特点，同时平面刚性桁架抗弯性能良好，能够有效限制结构的竖向位移，各部分杆件受力明确，优化了结构性能。
    关于结果我带的一队模型质量71.3g，采用两榀刚性三铰拱桁架，侧向静、振动荷载通过柔性拉条连接传递，模拟了桥梁结构，顺利通过各个工况，刷新了在校实验的最好成绩，却只在24 支队伍中只拿到鼓性质的优胜奖。二队模型的设计灵感来自单层厂房，80+g，通过前几级。颁奖典礼上我又困又累，晕晕乎乎，上台领奖时老师语重心长地说起这次南京高校普遍成绩不够理想，要我们好好总结经验教训。
    在土木学科评估上独领风骚的同济，也只是三等奖与名次更末的优胜奖，学科实力与竞赛水平之间的差别，令人深思。同济两只代表队和我们的模型很像，“平常心”那组也是单榀桁架叠着，三角形单元比我们一队的多，毁在四级加载上，他们队长说往日在学校做到80g，这次65g 果然垮了。他们的另一队的传力体系和我们更像，只是把三铰拱削成了平头，做成了一层桁架，但这一队说他们做毁了二十多支，令人诧异他们付出的巨大努力。特等奖是上海交大的斜拉桥，工程上难以利用，但是切死赛题，压在静定上，45.6g，领先合肥工业大学的一等奖作品0.3g，后者创新性采用“变形箱型梁”做法，在一般的直空心柱做法上匠心独运地使用连续过渡的局部加强版做法，四只2*2 的拉条托起胶囊状的一级加载点更是神来之笔，这一方面体现出队员对模型受力与材料特点的准确把握，另一方面让人惊叹他们难以复制的手工。
    关于队伍我邀请了黄丽媛，李宇晗和我携手组成“能工巧匠”代表队。丽媛是女生，校赛选拔后成长得很快；宇晗是爱动手的，在宿舍清洗空调风扇，做象棋桌子，带着舍友一晚上做好模型，摘走今年校赛的趣味加载组第一名，人称“李大神”，在队里负责关键性的裁料与装配；我在模型制作中统筹尺寸与方案，负责要害的大腰与大梁的制作，柱脚与各处的加固主要由我和丽媛做，意外状况比如柱子长度不够或者大修小补，也由我主要负责，戏称“狗尾续貂”神技。她们两位都是给力的队友，能扣住细节，严格把关，但三人身为二年级的学生，没能熟练利用软件与理论进行定量的结构运算，成为制约我们后期成绩提高的最大问题。在方案的选择上，我趋于保守，更愿意优化手上的方案，李宇晗更愿意大胆尝试，黄丽媛喜欢优化细节，在70g 以下我们也有55g，64g 的方案，可惜都这样那样地未能成功。关于手工与计算都说现代科学的研究手段是理论、实验与计算机模拟，我想说做模型也是这样。对力与美的不懈追求是结构设计的核心之义，为了让模型符合赛提规定的同时效率比更高、设计更巧妙，我们一面要求手工精益求精，另一面要求电算。上交的计算书里，不光有有限元分析，还有CAD 建模，甚至还有对节点处理的手绘，开玩笑地说一句，技术宅真可怕。这次的计算书是上届队员袁衫华师兄帮助我们做成的，为此我特意去了四牌楼和他一步步用SAP2000v15 抠节点和柱子的受力，看到每支部件的拉压弯剪扭都在软件中清清楚楚地体现出来，大大减轻了做模型试验的压力。而之前在我们260g 的第一只模型中，由于没有意识到两榀桁架之间的是拉力，可以由木条实现，而都采用了箱型梁，既费工，又达不到效果。加载状态四（满载）结构变形、轴力示意图
    比赛的时候，合肥工大的一等奖作品工序及其神奇，大家都是从下往上做，他们把模型倒过来，先做上面的，做完再转回来成型，颇有一番神乎其技的意味；有相当数量的队伍做连续拱，把木料弯成需要的曲率，形成彩虹桥式的美丽曲线，质量也能控制在65g 以下；有一组在赛提说明会上提出图纸的问题，甚至讲他们准备好把图纸画在木料上。大一时我也在科协，目睹一件件模型，守着振动台服务校赛加载，和同学做了趣加，又做了一趟华东赛，体会到手工只有一山还比一山高，怎么强调都不为过。觉得木材做箱型梁可以抗弯抗扭，做拉条利用了顺纹模量优势，刚柔并济，又好加工，是理想的模型制作材料。不好的是木材与木质模型不好运输，容易毁坏，容易吸水，干了会变形变脆，湿度变化对模型的质量和力学性能影响很大。空心柱的“回”字型做法对四条缝的要求很高，做笔直、可控制的弯曲都不容易，筋肋与局部填实都是有必要的，前者加强了整体性，更抗扭，同时方便了制作，后者保证了绳套等局部的不损坏，它们能避免木材的不均匀与突然损坏的问题。胶水不是多多益善，刚好一滴点透是拆毁时是最难的，科协提供的“有型”浸润性很好，能渗到缝里，适合点缝成型；“火速胶”浸润性差，聚成一团干得慢，呛眼睛，但是粘接更强，适合加固。木屑与木粉是神奇的，成绩好的组柱脚处都是磨好接触面直接粘在底板上，用木粉加固的。成也萧何败萧何的箱型梁
    关于其他队伍之间的交流太重要了。校内选拔期间我们做了5 支模型，260g，140g，94.6g，87g,，78g，在后两轮加载中拿到第一名，出线以后，却进步得很慢，理论与电算跟不上固然是主要的方面，三人各有所忙，竞争压力小也是原因。勇于创新的根叔那一组，“有图纸有真相”的黄慧敏学姐那一组，在走廊里熬夜备料的齐向群那一组等等相继离开，老师们提到斜拉桥做法与空间桁架体系都没能成功实践，是让人遗憾的事情。建议科协请每次的参赛队员拍一段模型制作的视频，记录关键性的裁料、做笔直柱子、打角度、拉条预应力的做法，可以将“手艺”比较好地传承下来。
    上海大学宝山路校区是美丽的，方便的，可以说，九龙湖在生活环境上相比弱了，但上大的赛事志愿者吐槽这里产学渣，娱乐设施太齐全，生活气息太重；明年在同济大学办，四平路校区哪里那里离五角场商圈很近，脚跨江湾核心，毗邻复旦财大，建筑也很美。
    我们一路走来离不开教练组老师、同学、“以梦为马”队、中国好室友、与科协的支持，无论是在热火朝天的土交实验楼，还是深夜的教七，还是在上海大学，感谢你们的陪伴与帮助，点点滴滴令人温暖。