摘要：参考应县木塔结构形式，进行三层竹塔结构模型制作，通过多方案设计与制作，对比方案优缺点，确定安全可靠、外观轻巧、细节美观的模型方案，并通过Midas结构分析进行改进优化。通过该方案在竹材模型制作与Midas分析中的应用研究，以期对同类模型设计制作提供参考。

关键词：三层竹塔；模型制作；方案比选；Midas结构分析

中图分类号：TU318      文献标识码：B    文章编号：1671-2064(2023)14-0104-04

1方案构思

1.1模型制作背景

此次竹结构模型制作参考我国山西应县木塔（应县木塔与意大利比萨斜塔、巴黎埃菲尔铁塔并称“世界三大奇塔”，是现存最古老、高大的纯木结构楼阁式建筑），制作1个带挑檐加载点的三层木塔结构，木塔内部给出圆形中空规避区，外部给出正八边形外边界限，竹塔各层外边界尺寸由低往高逐渐减小。对模型进行三级加载，第一级加载为竖向荷载加载；第二级加载为两个对角加载点施加顺时针扭转荷载；第三级加载为锥形塔顶沿固定加载方向的水平静力加载。在持荷第10s后，结构未出现失效情况，则认为该级加载成功，否则，该级加载失效。模型制作完后通过检测板检测模型外部的尺寸。

1.2方案比对与优化措施

1.2.1方案比对

团队成员对往年的赛题进行了充分的调研和研究^[1-4]，设计制作模型的第一个方案采用了套筒结构形式（筒中筒），设置内筒和外筒立柱，如图1所示。该结构形式强度、刚度和稳定性都较为可靠，但缺点为制作费时、用材较多、结构笨重。在保证材料充裕、时间从容的情况下，第二个方案采用了单筒桁架结构，缩短模型制作时间，减轻结构重量，同时可满足结构承载需求，如图2所示。为继续减轻结构重量，提高模型的工艺性、美观性，对结构节点进行优化，对单筒桁架结构挑檐、节点连接处、锥形塔顶处均采用榫卯结构形式，其对工艺和量度精度要求高，观赏性强，如图3所示。对比套筒结构其刚度和稳定性略弱，但加载结果仍能满足满荷承载要求，由于其质量优、更具观赏性，同等加载结果下结构更为轻巧。研究结果参考同年度赛题作品进行了分析^[5-7]。

1.2.2优化措施

（1）结构优化处理。套筒结构有两层立柱，一部分荷载由内部的筒体承受，但荷载通过内外柱连接梁传递给外柱，由内外柱共同承重，且结构大部分荷载传给外层立柱。考虑套筒结构耗费材料较多、更耗时、效率更低，因此将内部筒体去除，且在同等满荷加载条件下仍可满足承载要求。

（2）节点优化处理。第一个方案节点处理十分生硬。例如，在横梁杆件和立柱构件间节点的连接处理上不够灵活，用502简单胶黏后，再用薄竹皮包扎后进行胶注，呈现的效果虽然强度足够，成功连接成为刚节点，但美观程度低，耗费胶水。经多次尝试，发挥竹材抗拉优势，选择榫卯连接方式，结构精巧，造型轻盈。结构体系优缺点对比如表1所示。

表1 结构体系对比

体系对比	套筒结构	单筒桁架结构	节点榫卯结构
优点	强度、刚度、稳定性均较强	结构简明，受力明确，自重较轻，工艺简单	公母结合，契合有致，组合紧密，整体性强
缺点	结构较重、制作废材耗时	节点薄弱，不够美观	拆卸困难，对工艺要求高

 

2 结构建模及主要参数

2.1 结构分析中的主要参数

在Midas Gen模型分析中，对主要参数进行了如下定义。

（1）材料部分：竹皮的弹性模量为6000N/mm²，抗拉强度为6e-2N/mm²。

（2）几何信息部分：对杆件柱采用三角形截面形式，等边三角形边长均为13mm。杆件斜撑1截面为边长4mm的正方形。杆件斜撑2为长6mm、宽2mm的长方形。外挑檐为T字形。

（3）荷载工况部分：设定第一级荷载为竖向荷载，每个点加载重量为4kg；第二级荷载为在4个加载点两种工况中随机选择一种施加顺时针扭转荷载，每个点施加荷载3kg。第三级荷载为在第一、二级持荷状态下，在塔顶点施加固定方向的水平力，水平力可选择为5kg、6kg、7kg。在Midas Gen中，采用了固定支撑、节点荷载设置。

2.2 Midas Gen结构模型

利用Midas Gen软件建立了结构的分析模型，如图4所示。

 

3 受力分析

3.1 强度分析

3.1.1第一级荷载

应力情况如图5所示。在一级荷载的状况下应力最大值为14，最小值为-10.6。最大应力出现在挑檐与立柱连接处。

3.1.2第二级荷载

应力情况如图6所示。二级加载情况下应力最大值为13.5，最小值为-12.1，均位于八边形杆件处。

3.1.3第三级荷载

应力情况如图7所示。应力最大处与最小处的应力值大小相同，为156.4，方向不同。

加载后考虑在应力较大部位对杆件进行加强、改进截面形式或节点局部加强。

3.2 刚度分析

3.2.1第一级荷载

变形情况如图8所示。一级荷载的最大变形位于塔三层截面加载点处以及该截面挑檐和立柱节点处。

3.2.2第二级荷载

变形情况如图9所示。二级荷载的最大变形位于塔二层截面的挑檐以及连接各挑檐的八边形杆件处。

3.2.3第三级荷载

变形情况如图10所示。第三级荷载下最大变形位于顶部节点和塔二层截面以上的立柱处。

针对上述变形结果，对位移较大部位可采用加强杆件或者增加拉条处理方法。

3.3 稳定性分析

（1）第一级加载。失稳模态如图11（a）所示，在一级荷载加载情况下，塔底截面至塔二层截面立柱左侧变形更为严重，左侧稳定性较弱，塔三层截面及挑檐变形严重。

（2）第二级加载。失稳模态如图11（b）所示，在二级荷载加载情况下，塔二层截面处的杆件和挑檐变形最为严重，可能会出现断裂。

（3）第三级加载。失稳模态如图11（c）所示，在三级荷载加载情况下，顶部杆件以及塔三层截面的变形最严重，尤其是顶部杆件最易失稳。

根据上述稳定性分析结果，对容易出现失稳的杆件进行截面加强或改变截面形状，采用增加支撑的处理方法。

 

4 结论

（1）通过对结构模型方案进行不断改进优化，采用单筒结构与节点卯榫连接方式可以达到减轻结构自重、节材省时、工艺性强、更具观赏性的目的。

（2）综合结构强度、变形、稳定性分析，模型的最大位移位于挑檐处，最大应力在锥形塔顶。通过改进优化，最终模型承载力较高、刚度均匀，在荷载作用下不发生失稳破坏，安全可靠，达到了设计目标。

参考文献

[1] 陈庆军,邱智育,季静,等.第12届全国大学生结构设计竞赛命题与实践[J].空间结构,2019,25(2):79-88.

[2] 宋晓冰,吴晓昂,闫斌,等.大学生结构设计竞赛方案设计原则及案例分析[J].力学与实践,2020,42(3):388-393.

[3] 何春保,张兆劲,冯锦垚.结构设计竞赛科技创新实验项目的设计与实践[J].力学与实践,2020,42(5):665-670.

[4] 谢宇锋,徐佶,徐凯澳,等.大学生结构设计竞赛模型制作工艺与装配方式[J].城市建筑,2021,18(32):157-159.

[5] 聂蒙泽,洪昌伟,任小鹏.大学生结构设计竞赛木塔模型方案设计及优化[J].价值工程,2023,42(16):140-143.

[6] 展嘉怡,陈素芳,孙梦媛,等.三重木塔桁架结构模型设计制作与加载分析[J].山西建筑,2023,49(10):55-58.

[7] 苏彦军.大学生结构设计竞赛模型方案优化与创新设计分析[J].大众标准化,2023,(7):131-133.

收稿日期：2022-12-26

*基金项目：新疆工程学院科研基金项目（2020xgy182302）；新疆工程学院大学生技术创新实施项目支持，2021年新疆维吾尔自治区级大学生创新创业训练计划项目（S202110994018）

作者简介：邓雲汀（2000—），男，河南郑州人，研究方向：智慧建造。

通讯作者：范文晓（1989—），女，安徽阜阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：智慧建造。

The Application Study of the Design and Production Scheme of the Wooden Tower Model of Ying County and the Structural Analysis of Midas

DENG Yunting,FAN Wenxiao,QI Jinyu,CHEN Linfan

(School of Civil Engineering, Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi  Xinjiang  830023)

Abstract:Refer to the structural form of Ying County wooden tower, make a three-story bamboo tower structure model, compare the advantages and disadvantages of the scheme through multi-scheme design and production, determine the safe and reliable, lightweight, beautiful details of the model scheme, and improve and optimize through Midas structural analysis. Through the application of this scheme in bamboo model making and Midas analysis, it is hoped to provide reference value for the design and production of similar models.

Key words:three-story bamboo tower;model making;scheme comparison;Midas structural analysis