“登峰杯”結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，自開賽以來，就得到廣泛的認可。結(jié)構(gòu)設(shè)計特有的競賽形式，讓很多動手能力不俗的同學非常喜歡。“登峰杯”全國中學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽采用結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)模型制作和加載測試的形式進行，旨在培養(yǎng)中學生的創(chuàng)新意識、合作精神，提高中學生的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)。

　　今天給大家解讀一下登峰杯結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，滿滿的干貨!讓想要參加第三屆的同學絕對收貨頗豐。

　　"閱讀原文"可查看第三屆“登峰杯”結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽初賽賽題

　　◆力學知識

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到材料力學和結(jié)構(gòu)力學的知識，但完全掌握好這兩門知識并不是設(shè)計出一個好結(jié)構(gòu)的必要條件，理解其中關(guān)于強度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的概念，理解各種形式的力的作用，再加上一些思維上的創(chuàng)新和探索，往往能獲得驚喜的結(jié)果。

　　首先，我們看看結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)的力的形式：軸力、剪力、彎矩和扭矩，下面用一根桿子進行分析。

　　軸力(N)：沿著桿子長度(軸線)方向作用的力，根據(jù)符號分為拉力和壓力。假設(shè)把桿子沿軸線垂直剖切，容易知道軸力是垂直于橫截面的力。

　　剪力(V)：同樣對于上面剖切開的桿子，如果力的方向與橫截面平行，那么這個力的作用稱為剪力。一個形象的例子是，我們使用的剪刀對物體產(chǎn)生的作用一般都是剪力。

　　彎矩(M)：彎矩是力矩的一種，是力與力臂的乘積。桿子上的彎矩可用下面的圖示進行理解：桿子的右端作用了一個豎直向上的剪力V。根據(jù)力矩的概念，對于距離桿子右端點為x截面處的彎矩大小為xV。如果把沿桿子長度的各個截面的彎矩大小都列舉出來，可以用圖下部的圖形進行表示，其中黑色粗直線表示研究的桿子(可以理解為x軸)，垂直于x軸的方向表示彎矩的大小。通過這個圖形可知，桿子截面承受最大彎矩的地方在左邊固定支座處。當V不斷增大，最先破壞的地方會出現(xiàn)在桿子左端。

　　扭矩(T)：同樣用上面的桿子來理解扭矩，這時將視角轉(zhuǎn)移到桿子的橫截面。如果V的作用點不在橫截面的中心位置，這時的xV將對桿子產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)的作用。

　　仔細區(qū)分彎矩和扭矩，可以發(fā)現(xiàn)它們都是力矩的范疇，只是對桿子產(chǎn)生的變形作用不一樣，彎矩對桿子產(chǎn)生彎曲作用，扭矩對桿子產(chǎn)生扭曲作用。思考：對于上面承受扭矩作用的桿子，同時承受了彎矩的作用嗎?理解了四種基本形式的力的作用，還需理解強度和剛度的概念。

　　此外，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個關(guān)鍵的問題。如果桿子橫截面積特別小，而長度特別大，可以預測當N很小的時候，桿子就會彎曲而無法承受N的作用;而當N撤去后，桿子又能恢復原來的形狀——這就壓桿穩(wěn)定(失穩(wěn))的問題。壓桿穩(wěn)定問題的影響是，對于承受壓力作用的桿子，當桿子的應(yīng)力尚未達到破壞強度時，桿子就會突然發(fā)生破壞。關(guān)于壓桿穩(wěn)定，主要涉及到歐拉公式，這個話題可以參見任何一本《材料力學》書籍。

　　最后，對上述力學知識用一個形象的例子進行總結(jié)。思考：拉力、壓力、彎矩中的哪一種作用，比較容易破壞一根桿子?①拉力最難破壞，因為拉力需要增大到桿子的破壞強度。②壓力比拉力容易，盡管拉力的破壞強度和壓力破壞強度的數(shù)值大小常常一樣，但是壓力作用時桿子容易發(fā)生穩(wěn)定問題。③彎矩比較容易，這其中的原因可以從橫截面上的應(yīng)力分布進行分析。

　　于是，上面這段話給我們的啟示是，結(jié)構(gòu)設(shè)計中，盡可能避免彎矩出現(xiàn)，同時注意壓桿的穩(wěn)定問題。提高壓桿穩(wěn)定能力的方法有：①減小桿子的長度;②盡可能使桿子橫截面的材料分散開來，如實心變?yōu)榭招摹?/p>

　　◆結(jié)構(gòu)體系分析

　　結(jié)構(gòu)體系指的是“把荷載傳遞到支座的方式”，下面用常見的橋梁進行討論。

　　◆【方法一】：用一根橫梁直接當做橋梁，簡單方便，但是結(jié)構(gòu)的跨度不理想。

　　◆【方法二】：桁架體系，用一些短小的桿子拼裝而成，跨度進一步增大，通過桿子之間的聯(lián)系能夠有效減小壓桿的“計算長度”而解決穩(wěn)定問題。

　　◆【方法三】：斜拉橋，把彎矩轉(zhuǎn)換成拉力和壓力的范例，跨度可以比上述桁架橋更大。思考：圖中的斜拉橋存在一個不盡完美的地方，怎樣改進?

　　◆【方法四】：懸索橋，充分利用拉力的結(jié)構(gòu)體系，跨度及其可觀。思考：懸索橋比斜拉橋跨度更大的原因是什么?

　　通過分析上述的橋梁結(jié)構(gòu)體系，我們可以呼應(yīng)前文關(guān)于“消滅彎矩，注意穩(wěn)定，追求拉力”的設(shè)計建議。

　　其次，我們用如下兩個具有特色的結(jié)構(gòu)模型，來闡述如何分析一個結(jié)構(gòu)的體系，分析結(jié)構(gòu)的力流是如何傳遞至支座的。這兩個模型施加的荷載是：在結(jié)構(gòu)頂部鋪蓋柔軟的塑料墊，數(shù)量自定。

　　◆截面規(guī)格與選擇

　　第二屆登峰杯結(jié)構(gòu)設(shè)計的初賽和決賽均提供了不同截面規(guī)格的桐木材料，在不考慮不同規(guī)格加工差異的前提下，各種規(guī)格的材料在抗力上沒有太大區(qū)別，而主要影響結(jié)構(gòu)桿件的截面的制作方式。

　�、� 實心截面，可直接使用2×4、2×2的截面規(guī)格，或者組合成4×4的截面規(guī)格。實心截面主要用于受壓桿件，制作簡單便捷，缺點是桿件重量較大，且相同截面積的情況下實心截面的穩(wěn)定承載力相對較低。

　　② T形、工字型等簡單組合截面，可直接使用2×4和2×8的截面規(guī)格進行組裝，主要用于承受較小壓力、較小彎矩的桿件。

　�、� 箱形等空心截面，可直接使用2×8的截面規(guī)格進行組裝，但更經(jīng)濟的做法是將1×55的截面規(guī)格按需裁剪成條，然后粘結(jié)而成。

　　下面給出常見的箱形截面的制作圖示，其中的要點在于善于利用模具(如提供直角的兩條邊等)。

　　◆模型制作技巧

　　模型制作按照步驟分為：桿件制作、桿件拼裝、結(jié)構(gòu)加固等過程。

　　桿件制作：盡可能做到長度、角度精準;

　　桿件拼裝：建議根據(jù)圖紙進行拼裝——善于利用結(jié)構(gòu)中桿件形成的平面，對照圖紙精準地控制桿件之間的角度;善于將結(jié)構(gòu)分成若干塊，再將塊組裝為整體，這樣最大程度上減小制作誤差。

　　對結(jié)構(gòu)進行“分塊”：

　　①常規(guī)思路是按照第一層、第二層和第三層的思路將結(jié)構(gòu)進行分塊，然而這種分法并不能簡化拼裝的工作量，反而會累計拼裝誤差;

　�、诟鶕�(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性分為4個相同的豎向塊，每一個豎向塊可以利用桿件之間組成的平面，精準快速地進行拼裝。

　　◆第二屆登峰杯結(jié)構(gòu)設(shè)計賽題分析

　　第二屆登峰杯的初賽和決賽形式類似，下面僅對決賽進行分析。

　　決賽可在官網(wǎng)下載示意圖如下：

　　下面考慮結(jié)構(gòu)主要處于高區(qū)、中區(qū)和低區(qū)三種情況的結(jié)構(gòu)布置：

　　上面3種結(jié)構(gòu)布置只是無數(shù)解決方案中的一種，高區(qū)模型應(yīng)注意長壓桿的穩(wěn)定問題，中區(qū)模型可以在模型重量上進行優(yōu)化，低區(qū)模型有優(yōu)化的巨大空間。下面給出低區(qū)模型的一種優(yōu)化思路，列舉實際比賽中引人注意的一個模型。

　　對于低區(qū)結(jié)構(gòu)，容易想到如下的解決方案，形如“蕩秋千”，整個結(jié)構(gòu)僅有三根拉桿組成。然而，三根拉桿的結(jié)構(gòu)在加載時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著的水平移動——根據(jù)力的平衡關(guān)系可知，左側(cè)拉桿內(nèi)力大比右側(cè)拉桿內(nèi)力大，那么兩者的水平分量無法平衡。

　　如何解決這個問題呢?根據(jù)三力匯交原理，我們可以通過增加一根撐桿的方式，使得左右兩側(cè)的拉桿的豎向角大小相同，而小撐桿與兩側(cè)拉條的夾角相同。

　　最后，關(guān)于決賽題目有一點值得反思，對“荷載塊具有一定剛度”這一賽題規(guī)則的理解。如果加載塊的自身剛度比較小，無法僅靠幾個點進行支撐，那么上述的“蕩秋千”結(jié)構(gòu)體系顯然是無法適用的。

　　◆總 結(jié)

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個用少做大的學問，或者從已有的結(jié)構(gòu)形式中汲取靈感，或者在天馬行空的思維交融中迸出火花。從結(jié)構(gòu)模型設(shè)計、構(gòu)思伊始，到整個結(jié)構(gòu)完工、加載，團隊里的每一個人都應(yīng)思考結(jié)構(gòu)在不同傳力途徑和不同荷載作用下的可能性，受力與變形的變化，以及每一種荷載組合作用下可能產(chǎn)生的破壞機理。這里，紙上談兵是不可取的，結(jié)構(gòu)每一次測試和優(yōu)化，都伴隨著——用眼睛去發(fā)現(xiàn)問題，用大腦去分析問題，用雙手去解決問題。

　　“登峰杯”全國中學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽提供了一個設(shè)計、實踐、競技和交流的平臺，幫助我們?nèi)ジ兄獎?chuàng)新和探索的奧秘。

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