作者简介：代坤(1987-)，男，土家族，湖南张家界人，工学硕士，吉首大学张家界学院助教，研究方向：结构工程㊂ 应龙阶段龙的图案相比夔龙阶段更具有富态㊁饱满㊁华丽，体态更加丰满㊁形象介于蛇和兽之间，有了虎㊁鳄和蟒的形象元素，四肢方面有了明显的变化，脚爪似类似猛兽㊁有力，雄风明显，身体发展布局完美，整体形象威猛㊂龙纹图案脱离了神秘㊁古朴的风格，应龙开始于秦代，昌盛于汉代，延续到隋唐时期，好似鸟㊁蛇㊁鳄㊁鱼等特征的组合体，有蟒蛇形龙纹和走兽形龙纹两种形态㊂修长身体㊁蟒蛇曲卷状㊁四肢爪尖利㊁头长牛角是蟒蛇龙纹的典型特征㊂较长脖颈㊁较宽身躯㊁身有双翼㊁龙首高昂㊁口如鳄嘴是走兽龙图案的典型特征㊂ 晋魏南北朝历史时期中国文化开始进入繁荣时期，各地民族的优秀文化融入社会文化中，包括外来的佛教文化也融入其中，民族文化大融合，飞空和飘逸的龙形图案的形象呈现了佛教文化的宁静之美，也是中国龙纹演变的重要发展阶段㊂2.3㊀黄龙阶段 皇威龙纹演变
历史上宋朝㊁元朝㊁明朝和清朝四个历史阶段的龙纹演变统称为黄龙阶段，整个阶段龙纹图案形态多样㊁具有民间和宫廷两个明显的特征㊂宋朝时期是中国龙形图案演变过程中的重要的一个阶段，龙形图案开始走向定型㊂似蟒蛇状的蜿蜒盘足是春秋战国时期龙形图案特点，走兽形龙纹是秦汉时期的特征，宋
朝时期的龙纹图案形态又恢复到春秋战国时期，龙头增加许多装饰㊁更加丰富，有着洒脱矫健修长的龙体，秀丽的写实感更美㊂龙纹图案有凶猛的造型㊁很强的立体感，龙体由鹿角㊁牛鼻㊁鹰爪㊁鱼麟等兽的典型部位搭配㊂龙头仰状向上，龙口吐舌张开，曲折修长四肢，勾形状四肢关节，飞舞的四肢，肘毛
漂浮，身躯密布龙鳞，参差起伏的背鳍再背部向上排列，上下卷曲的尾部，总体形象工整典雅㊂
龙纹图案演变的鼎盛阶段是元朝时期，元朝经济文化大发展㊁外来文化深度融合，龙纹躯体更具有协调感和美感度㊂龙纹身躯秀长似蛇形，背鳍整齐分布，四肢呈三爪形状㊂局部中龙头偏而扁长，龙眉形状如火焰，气势威猛，双眼略小，龙角像鹿角后展，多有须和鬃毛，肢毛飘逸，呈现十足的动态感㊂元代时期的龙形图案以清秀㊁饱满为主，形声兼备㊁神采飞扬㊂龙纹图案融入朝廷的所有方面，龙纹成为宫廷日常的主要装饰元素，帝王的皇权㊁威严㊁端庄和神圣在龙纹图案中体现得淋漓尽致㊂明代时期的龙形图案具有粗壮身躯，且躯体均匀，有鳍㊁鳞㊁肘毛和尾毛，三抓或五爪组成四肢较多，龙头偏大，须发密㊁毛发梢向上飞扬㊁更加纷繁的装饰㊁飘逸㊂
清朝时期经济文化处于历史发展末期，龙纹图案多以有形无力，线条僵硬，并且装饰图案繁复，大多出现火纹㊁云纹㊁山字纹㊁火龙珠等元素㊂形态上比明朝时期略显老态，细腻入微的刻画，总体上缺乏整体上缺乏神和势，总体特征:(1)过多的蓬乱的须毛，嘴巴下多长须;(2)有粗壮的双角，凸起无神的大眼，下垂的龙须;(3)四爪或五爪组成爪，指甲细小尖叉，缺乏明显的锋利感㊂
参考文献
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代㊀坤
(吉首大学张家界学院，湖南张家界427000)
摘㊀要：在大学生结构设计竞赛中，结构体系的优化至关重要，好的结构体系可以明显提高模型的加载表现㊂本文以湖南省第八届大学生结构设计竞赛一等奖作品为例，介绍了根据弯矩包络图优化结构 方案的方法㊂通过计算分析和实验结果表明，该方法对竞赛中的结构优化具有一定的可行性和参考价值㊂
关键词：结构设计竞赛；结构优化；土木工程
中图分类号:TB㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀doi:10.19311/jki.1672-3198.2022.22.106㊀㊀大学生结构设计竞赛对培养土木工程专业学生的创新能力㊁团队意识和动手能力极具意义㊂在大学生结构设计竞赛中，模型的优化对竞赛成绩至关重要㊂优化一般从两个方面着手，一是对整体结构体系的优化；二是对杆件制作和局部节点的优化㊂其中结构体系的优化最为关键，好的结构体系可以明显提高模型的加载表现㊂本文以吉首大学张家界学院在第八届湖南省结构设计竞赛中的一等奖模型为例，介绍了根据弯矩包络图优化结构方案的分析思路㊂通过计算分析和实验结果表明，该方法对竞赛中的结构优化具有一定的借鉴作用㊂
机器人拉车1㊀赛题简介
1.1㊀赛题背景
湖南省大学生结构设计竞赛作为全国结构设计竞赛在湖南省的分区选拔赛，由湖南省教育厅㊁湖南省住房和城乡建设厅联合主办，并由湖南省建设人力资源协会和湖南省各高校轮流承办，是湖南省土木
工程相关专业最权威的学科竞赛之一㊂湖南省第八届大学生结构设计竞赛赛题改编自2020年全国大学生结构竞赛赛题，在国赛赛题基础上做了适当简化㊂赛题以承受竖向静力和局部转移荷载的桥梁结构为加载对象，目的是考察该桥梁模㊃
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型在竖向静力集中荷载以及局部转移荷载作用下的承载力表现㊂
1.2㊀材料
结构模型制作材料为统一给定的竹材，竹材规格及用量如表1所示，竹材参考力学指标如表2所示㊂
表1㊀竹材规格及用量上限
竹材规格竹材名称每队发放量
竹皮1250mmˑ430mmˑ0.20(+0.05)mm集成竹片(单层)3张1250mmˑ430mmˑ0.35(+0.05)mm集成竹片(双层)3张
竹杆件930mmˑ6mmˑ1.0(+0.5)mm集成竹材20根930mmˑ3mmˑ3.0(+0.5)mm集成竹材20根
㊀㊀注：竹材规格括号内数字为材料厚度误差限值㊂
表2㊀竹材参考力学指标
密度顺纹抗拉强度抗压强度弹性模量0.8g/cm360MPa30MPa6GPa
㊀㊀注：模型粘接仅限于使用502胶水㊂
1.3㊀制作工具
制作模型工具：美工刀㊁剪刀㊁水口钳㊁锉刀㊁砂纸㊁尺子(钢尺㊁三角板)㊁镊子㊁滴管㊁打孔器㊂
1.4㊀荷载工况
自动化机械手臂
本次赛题的加载工况分为两个阶段：第一加载阶段是在桥梁模型的8个加载点处，分别施加竖向集中荷载㊂荷载是赛前由参赛队在20N~120N之间取值(10N的整数倍)，并且各加载点荷载取值不重复㊂第二加载阶段为两次局部转移荷载㊂赛题主要考察桥梁模型的竖向和扭转承载能力，赛题加载平面示意图如图1所示㊂
加载方案的选择有两个方向的侧重，一是选择较轻的模型及砝码；二是选择较重的模型及砝码㊂考虑
到更轻的模型在比赛中具有更大的得分优势，因此最终选择的加载方案如图2所示㊂第一阶段8个加载点的砝码分别为2~9kg，因悬挑段较长，选择了较小的2kg及3kg砝码㊂第二加载阶段为局部转移荷载，局部转移荷载的次序分两步：第一步是将悬臂端的30N移动到斜对侧40N处；第二步再将该点所有砝码移动到对侧的50N处
㊂
图1㊀
加载平面示意图
图2㊀第二加载阶段过程示意图
2㊀杆件抗压测试
为了解不同截面形式的压杆承载力能力，用万能试验机对比了矩形㊁圆形㊁三角形三种不同截面杆件的抗压
能力，测试过程如图3所示㊂杆件均采用0.35mm厚度的
竹皮制作，高度均为20cm，厚度分为1层和2层两种规
格，矩形杆的边长为0.5ˑ0.5cm㊁1.0ˑ1.0cm㊁1.5ˑ1.
5cm，圆形杆直径为1.0cm㊁1.5cm，三角形杆边长为1.0ˑ
1.0ˑ1.0cm㊁0.5ˑ0.5ˑ0.5cm，加载实验数据见表3㊂
图3㊀杆件抗压能力测试
表3㊀加载实验数据表
形状层数边长/cm杆件数平均质量/g平均强度/Mpa荷质比N/g
矩形10.5ˑ0.53 1.1240.3336.01
微电脑时间控制器
1.0ˑ1.03
2.03111.6755.01
1.5ˑ1.53 3.1313
2.0042.17
2 1.0ˑ1.0
3 5.02486.6796.95
1.5ˑ1.537.0022
2.3331.76
圆形11.03 1.74127.3373.18 1.53 2.47187.6775.98
三角形1 1.0ˑ1.0ˑ1.03 1.6086.0053.75 20.5ˑ0.5ˑ0.53 2.0276.3337.79
㊀㊀根据表3中压杆测试结果中的荷质比结果发现，矩形杆中1.0ˑ1.0cm的双层杆荷质比最高，圆形杆的荷质比较高，三角形杆荷质比相对较低㊂考虑到用竹皮制作圆形杆容易开裂，因此在后续模型分析及制作中，受压杆件以矩形截面为主，截面大小初步选为1.0ˑ1.0cm，然后再根据应力大小不断优化截
面大小㊂
3㊀结构优化方法
赛题模型结构可初步按两根纵向梁构件考虑，因此在分析结构方案的初期，将主要受力方向的结构简化成
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平面的静定结构进行分析㊂这样做的好处是在前期方案
选型阶段，通过对平面的静定结构进行受力分析，就能大致确定出结构的内力图㊂接下来的优化过程以模型单侧的计算简图作为分析对象，图4为模型第一加载阶段的计算简图
㊂
图4㊀第一加载阶段计算简图
3.1㊀优化桁架截面高度
桁架结构不仅是一种高效的抗弯及抗剪结构，同时分析起来也比较简单，非常适合在结构方案的选型阶段进行优化设计㊂在竖向荷载作用下，桁架结构的上弦杆受压，下弦杆受拉㊂取计算简图左边一小段作为隔离体，并将梁改成桁架形式(图5)㊂从隔离体的受力可知，截面上的弯矩等于上下弦的轴力乘以桁高h㊂固定荷载作用下，截面的弯矩值固定不变㊂因此如果要减小拉压杆的轴力，可通过增大拉压杆之间的距离实现
㊂
图5㊀隔离体示意图
3.2㊀优化斜腹杆方向
桁架结构中的剪力主要依靠腹杆承担，腹杆包括竖向腹杆和斜腹杆㊂其中斜腹杆布置的方向有两种情况，不同方向的斜腹杆，其轴力可能为拉力或者压力㊂在大学生结构设计竞赛中，制作模型的材料一般为竹材，而竹材的抗拉强度远优于抗压强度㊂因此，为了能充分利用竹材的抗拉强度，同时又能减轻模型质量，斜腹杆尽量选择竹条制成的拉杆㊂
在桁架隔离体中，考虑两个不同方向的斜腹杆进行分析(图6)㊂由于该隔离体横截面上的剪力方向向下，所以左侧隔离体中的斜腹杆为压杆，而右侧隔离体中的斜腹杆为拉杆㊂因此可根据各阶段荷载工况下的剪力图，优化桁架结构中的斜腹杆方向，让桁架中的斜腹杆均承受拉力长线驱动器
㊂
图6㊀斜腹杆受力示意图
3.3㊀优化模型立面
结合该计算简图在两个加载阶段下的弯矩图，得到
其弯矩包络图(图7)㊂其中1号虚线为第一加载阶段的弯矩图,2号实线为第二加载阶段的弯矩图，第二
阶段弯矩图又分为第一步和第二步转移荷载下的弯矩图㊂而各截面的桁架高度可根据对应位置的弯矩值进行设计，由此可以得到一个立面与弯矩图形状相似的桁架结构模型㊂最后再结合Midas 模拟计算与加载实验测试，确定最终优化后的模型结构方案(图
8)㊂
图7㊀弯矩包络图(单位:N ㊃m
)
基因测序仪
图8㊀模型侧立面图
4㊀计算结果
在第一加载阶段下，模型的最大压应力14.9MPa，最大拉应力25.1MPa㊂第二加载阶段最大压应力27.7MPa，最大拉应力33.5MPa，各杆件的应力值均小于竹材的强度极限值(极限抗压强度30MPa，极限抗拉强度60MPa)㊂第二加载阶段跨中最大竖向位移为8.93mm，小于赛题规定的10mm 竖向位移限值㊂
5㊀结论
本文以湖南省第八届结构设计竞赛一等奖获奖作品为例，介绍了用弯矩包络图优化结构方案的方法㊂通过以模型在主要受力方向上的计算简图为分析对象，得到计算简图在各项荷载工况下的弯矩包络图，从而确定出结构方案的大致形状㊂然后通过Midas 模拟计算与加载实验不断优化细节，确定出最终的结构方案㊂由该结构模型的计算结果及实际加载的表现，该优化方法具有一定的可行性和参考价值㊂
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[4]关于公布2020年第十四届全国大学生结构设计竞赛题目的通知.清理废旧钢筋
全国大学生结构设计竞赛委员会文件，结设竞函([2020]02号)[Z ].
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