作品名称

毓秀东南

获奖学生

鲁聪(专业：土木)、吴宜峰(专业：土木)、张逢(专业：土木)

设计要求

本次结构设计竞赛模型为体育场看台上部悬挑屋盖结构，整个模型包括下部看台、过渡钢板和上部挑篷结构三大部分。我们主要进行上部挑篷结构的设计与制作，并通过若干螺栓将柱脚与过渡钢板连接。其中，制作材料由主办方提供，采用木质材料制作屋盖主受力支承骨架结构，采用120g/m²的布纹纸（屋面材料）制作围护结构。竞赛目的是为了在全面满足竞赛要求的前提下，通过合理设计屋盖的结构形式以及屋面铺设方式，实现较大的结构强度、刚度以及稳定性，以承受静荷载和风荷载的作用，并且做到屋盖结构材料总质量尽可能小。整个分析设计过程需要综合运用空气动力学、结构力学和材料力学等相关的力学知识。

设计思路

综合悬挑结构的受力特点，最终采用的方案为变厚度桁架体系。整个屋盖由3榀平面桁架支承，作为竖向主受力体系，之间通过横向系杆连接以防止面外失稳，增强结构的整体性。支承骨架结构构件采用矩形管封闭截面及加劲槽形截面，在槽形管内设置一定的加劲肋以增强构件稳定性，且在模型的制作中均使构件长度方向与木材顺纹向同向。总之，我们的设计理念是以尽量少的构件及材料，组建强度高、刚度好、稳定且高效的屋盖结构，实现将外荷载以最简捷的传力方式传向支座的目标。合理的体系选取及构件截面设计，使该结构具有较好的视觉效果。

结构方案

根据竞赛规则，结构不仅承担竖向静荷载，而且需承受一定量级的风荷载，在重物作用和9m/s²风速两种情况下具有足够的刚度，且在12m/s²风速下不发生破坏。对于结构形式及造型而言，只要满足相关控制点的要求，对屋盖体系以及外形的选择不限，这为我们设计方案的选择提供了较大的余地。我们在结构选型过程中分别从结构体系及结构外形两方面进行了分析。

在结构体系的选取方面，由于桁架体系的竖向刚度较大，能承受较大的弯矩作用，且传力最为直接、高效，非常适用于大悬挑结构。另外，从模型制作的角度看，考虑到采用单纯的木材较难实现复杂的节点形式制作以及预应力施加，因此本次结构不采用网架结构体系或预应力结构体系（如悬挂结构、张拉结构）的设计方案。

在结构外形的选择方面，考虑到此悬挑结构需承受较大的竖向荷载，悬臂结构根部的受力最大也最为复杂。为控制挠度充分发挥构件强度，综合以上悬挑结构受力特点，最终采用的方案为变厚度桁架体系。兼顾风荷载效应，力争使结构的风致响应降到最小。整个屋盖由3榀变厚度平面桁架支承，作为竖向主受力体系。同时，为保证结构在风致振动下不失稳，平面桁架之间通过横向系杆连接以防止面外失稳，增强了结构的整体性。

在构件截面的选取方面，遵循桁架的受力原则，保证主管贯通，支管与之相贯搭接。从尽可能充分发挥材料性能的角度出发，支承骨架结构构件采用矩形管封闭截面及加劲槽形截面，以增大截面惯性矩。由于管壁较薄，为防止发生局部失稳，在槽形管内设置一定数量的加劲肋，增强构件的稳定性；另外，还在模型设计过程中采用了变截面构件，在受力较大较复杂处使用增大截面，不仅节省了材料，而且符合受力要求。采用的木材非各向同性材料，顺纹向模量大于横纹向模量，因此，在模型的制作中均使构件长度方向与木材顺纹向同向。为减小结构迎风面，将风荷载对结构的作用降到最低，尽量将纸张平缓铺设。