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摘要：以大学生结构设计竞赛题目为背景，采用有限元分析软件，对纸质框架模型进行了参数分析，分析结果表明对结构内力和位移影响显著的因素为受力杆件的制作厚度，其次为杆件的尺寸；通过参数分析可得到合理的模型，参数分析为模型概念设计提供了理论依据。
关键词：纸框架模型；有限元；参数分析
中图分类号：TU323文献标识码： A 文章编号：
土木工程是一门实践性很强的学科，目前国内许多高校为了多方面培养大学生的创新思维和动手能力，培养团队协作精神，增强大学生的工程结构设计与实践能力，丰富校园科研与学术氛围，进行了各式各样结构的模型设计。本文以第四届辽宁省大学生结构设计竞赛题目为背景，根据比赛要求，进行了模型的概念设计，初步确定了模型梁柱布置，并制作了模型进行了加载试验，通过多次加载试验，找出影响结构内力和位移的敏感因素，并进行了参数分析，得到合理的结构模型。
1 模型建立及参数选取
参数分析时主要考察了竖向圆杆层数及直径变化（选择了竖向圆杆制作层数分别为2、3、4层，圆形杆件的直径选择了25mm、30mm、35mm）、斜向支撑层数及直径变化（选择了斜向支撑制作层数分别为2、3、4层，斜向支撑的直径选择了15mm、20mm、25mm、30mm四种类型）、中间层梁层数及截面尺寸变化（选择了中间层梁制作层数分别为2、3、4层，中间层梁的截面尺寸变化分别考虑了梁高和梁宽两个变量，其中梁高选择了10mm、15mm、20mm三种情况，梁宽选择了10mm、15mm、20mm三种情况）对结构位移及应力的影响，通过分析结果，得到了优化后的合理参赛模型。
整个分析采用有限元软件Midas Civil软件完成，白卡纸物理参数[1,2]如表1所示，计算模型中所有竖向圆杆、斜撑及二层框架梁均采用梁单元模拟，中间层楼面采用板单元模拟；计算时假定底端固结，整个模型承受的荷载包括中间层均布面荷载，顶层中心点处竖向集中荷载及顶层水平荷载。
表1 白卡纸物理参数值
2 分析结果
根据比赛要求，计算结果主要选取了顶面中心位移、顶面水平纵向位移及结构最大拉/压应力，图1-图4给出了竖向圆杆层数及直径变化时控制点的位移及结构最大应力结果；图5-图8斜向支撑层数及直径变化时的计算结果；图9-图[2012年辽宁省大学生创新创业训练计划项目(201211258022)]12中间层梁层数及截面尺寸变化时的计算结果。
图1竖向圆杆层数及直径变化时顶面中心竖向位移 图2竖向圆杆层数及直径变化时顶面水平纵向位移
图3竖向圆杆层数及直径变化时结构最大拉应力 图4竖向圆杆层数及直径变化时结构最大压应力
图5斜向支撑层数及直径变化时顶面中心竖向位移 图6斜向支撑层数及直径变化时顶面水平纵向位移
图7斜向支撑层数及直径变化时结构最大拉应力 图8斜向支撑层数及直径变化时结构最大压应力
图9中间层梁层数及截面尺寸变化时顶面中心竖向位移 图10中间层梁层数及截面尺寸变化时顶面水平纵向位移
图11中间层梁层数及截面尺寸变化时结构最大拉应力 图12中间层梁层数及截面尺寸变化时结构最大压应力
从图1-图12可以得到如下结论：竖向杆件的截面尺寸和斜向支撑杆件的截面尺寸对于结构控制点的位移及整个结构的最大拉/压应力影响最为敏感，因此在制作过程中应细致，而中間层梁的截面尺寸对于控制点的位移及结构的最大拉/压应力影响次之。
3 结论
由分析结果发现影响结构内力及控制点位移的敏感性因素为竖向杆件和斜向支撑的尺寸，根据参数分析结果，优化模型并对优化后的模型进行加载试验，加载结果均处于要求限值范围，实测数值与理论计算值基本吻合，同时结构也没有发生比赛要求中不允许出现的破坏模式，证明了优化结果的合理性和可行性；通过参数分析得到合理的结构形式与结构构件尺寸，为结构概念设计提供了理论依据。
参考文献：
[1] 王立彬,李靓等. 纸质构件力学性能试验研究[J]. 力学与实践,2010,32:88-91.
[2] 刘承斌,王布宇等. 结构设计大赛材料性能试验[J]. 实验室研究与探索,2007,26(10):178-182.
关键词：纸框架模型；有限元；参数分析
中图分类号：TU323文献标识码： A 文章编号：
土木工程是一门实践性很强的学科，目前国内许多高校为了多方面培养大学生的创新思维和动手能力，培养团队协作精神，增强大学生的工程结构设计与实践能力，丰富校园科研与学术氛围，进行了各式各样结构的模型设计。本文以第四届辽宁省大学生结构设计竞赛题目为背景，根据比赛要求，进行了模型的概念设计，初步确定了模型梁柱布置，并制作了模型进行了加载试验，通过多次加载试验，找出影响结构内力和位移的敏感因素，并进行了参数分析，得到合理的结构模型。
1 模型建立及参数选取
参数分析时主要考察了竖向圆杆层数及直径变化（选择了竖向圆杆制作层数分别为2、3、4层，圆形杆件的直径选择了25mm、30mm、35mm）、斜向支撑层数及直径变化（选择了斜向支撑制作层数分别为2、3、4层，斜向支撑的直径选择了15mm、20mm、25mm、30mm四种类型）、中间层梁层数及截面尺寸变化（选择了中间层梁制作层数分别为2、3、4层，中间层梁的截面尺寸变化分别考虑了梁高和梁宽两个变量，其中梁高选择了10mm、15mm、20mm三种情况，梁宽选择了10mm、15mm、20mm三种情况）对结构位移及应力的影响，通过分析结果，得到了优化后的合理参赛模型。
整个分析采用有限元软件Midas Civil软件完成，白卡纸物理参数[1,2]如表1所示，计算模型中所有竖向圆杆、斜撑及二层框架梁均采用梁单元模拟，中间层楼面采用板单元模拟；计算时假定底端固结，整个模型承受的荷载包括中间层均布面荷载，顶层中心点处竖向集中荷载及顶层水平荷载。
表1 白卡纸物理参数值
2 分析结果
根据比赛要求，计算结果主要选取了顶面中心位移、顶面水平纵向位移及结构最大拉/压应力，图1-图4给出了竖向圆杆层数及直径变化时控制点的位移及结构最大应力结果；图5-图8斜向支撑层数及直径变化时的计算结果；图9-图[2012年辽宁省大学生创新创业训练计划项目(201211258022)]12中间层梁层数及截面尺寸变化时的计算结果。
图1竖向圆杆层数及直径变化时顶面中心竖向位移 图2竖向圆杆层数及直径变化时顶面水平纵向位移
图3竖向圆杆层数及直径变化时结构最大拉应力 图4竖向圆杆层数及直径变化时结构最大压应力
图5斜向支撑层数及直径变化时顶面中心竖向位移 图6斜向支撑层数及直径变化时顶面水平纵向位移
图7斜向支撑层数及直径变化时结构最大拉应力 图8斜向支撑层数及直径变化时结构最大压应力
图9中间层梁层数及截面尺寸变化时顶面中心竖向位移 图10中间层梁层数及截面尺寸变化时顶面水平纵向位移
图11中间层梁层数及截面尺寸变化时结构最大拉应力 图12中间层梁层数及截面尺寸变化时结构最大压应力
从图1-图12可以得到如下结论：竖向杆件的截面尺寸和斜向支撑杆件的截面尺寸对于结构控制点的位移及整个结构的最大拉/压应力影响最为敏感，因此在制作过程中应细致，而中間层梁的截面尺寸对于控制点的位移及结构的最大拉/压应力影响次之。
3 结论
由分析结果发现影响结构内力及控制点位移的敏感性因素为竖向杆件和斜向支撑的尺寸，根据参数分析结果，优化模型并对优化后的模型进行加载试验，加载结果均处于要求限值范围，实测数值与理论计算值基本吻合，同时结构也没有发生比赛要求中不允许出现的破坏模式，证明了优化结果的合理性和可行性；通过参数分析得到合理的结构形式与结构构件尺寸，为结构概念设计提供了理论依据。
参考文献：
[1] 王立彬,李靓等. 纸质构件力学性能试验研究[J]. 力学与实践,2010,32:88-91.
[2] 刘承斌,王布宇等. 结构设计大赛材料性能试验[J]. 实验室研究与探索,2007,26(10):178-182.