第九届全国大学生结构设计竞赛赛题

传承-山地桥梁结构设计及手工与3D打印装配制作

一、赛题背景

七七事变以后，日军迅速占领了中国北方的京津地区、南方的广东、汉口、上海、南京等华中、华东和华南地区，包括了中国主要的大城市、95%的工业、50%的人口。更为重要的是，中国沿海几乎所有的港口都落入了日本人的手中。武汉会战以后，中日双方进入战争的相持阶段。战争变成了消耗战。对于中国来说，物资供应问题此时显得异常严峻起来。 滇缅公路于1938年开始修建，公路与缅甸的中央铁路连接，直接贯通缅甸原首都仰光港。滇缅公路原本是为了抢运中国在国外购买的和国际援助的战略物资而紧急修建的，随着日军进占越南，滇越铁路中断，滇缅公路竣工不久就成为了中国与外部世界联系的唯一地面运输通道。 滇缅公路修建之难，难在公路经过的80%的路段是崇山峻岭。由于抗战形势的日益紧迫，滇缅公路的很多路段只好边勘测边施工。有经验的工程技术人员在战前就十分缺乏，抗战开始后，这个问题就更加尖锐了。况且滇缅公路将要从云南边境地区流行“瘴气”的地区经过，更就成了招募工程技术人员的一个大问题。滇缅公路沿线近30个县的劳工约20万人被征集来到公路上。这些人中，有大部分是老人、妇女和孩子，因青壮年大部分都应征入伍了。这可能是世界上最奇特的一只筑路大军，这里有各种各样的民族，他们穿着用蓝色土布制作的衣服，其中只有很少的男人是壮劳力，其它都是妇女和老头以及很多很多的孩子，孩子们都带着自家的宠物：狗、鸡和长尾巴的小鹦鹉。在傣族地区，那些跟着大人来做工的孩子还带着猴子。1938 年8月底，经过20万人的艰苦努力，全中国甚至全世界瞩目的滇缅公路终于通车了。9 月2日，《云南日报》发表社论，题目是《滇缅公路修完了》。当时，国统区内的几乎所有报纸都报导了这个极其鼓舞人心的消息，它也震惊了全世界。美国驻华大使在途径滇缅公路赴重庆后曾说：此次中国政府能于短期内完成此艰巨工程，此种果敢毅力与精神，实令人钦佩。且修筑滇缅路，物资条件异常缺乏，第一缺机器，第二纯系人力开辟。全靠沿途人民的艰苦耐劳精神，这种精神是全世界任何民族所不及的。

2015 年是抗日战争胜利70周年，70多年前有一个民族正在经受着前所未有的屈辱和磨难，一个有着5000年文明的国度也经历着其凤凰涅槃前的痛苦。曾经在这片土地上生活的4亿同胞无论老幼，不分尊卑，无论信仰，皆是守土人。为弘扬当代大学生的爱国主义精神，时刻提醒我们勿忘历史，以史为鉴，特选定对中国在抗日战争期间有着非凡意义的生命线——滇缅公路作为赛题背景。

二．总体模型 总体模型由给定的山体模型、制作的桥梁模型和作为底座连接用的承台板三部分组成。图1、图2为总体模型三维透视图和总体模型布置图（提示：竞赛用山体模型尖锐部分做了钝化处理以避免划伤人员）。 给定的山体模型有虎口、隧洞和棱台山体模型。承台板的标高为±0.00m，虎口山体虎口底面的标高为﹢0.14m，隧洞山体洞口底面的标高为﹢0.30m，棱台山体山顶平面的标高为﹢0.20m。各山体具体尺寸见图3-9。

桥梁模型由A、B两段桥依山而成。A桥段结构的所有构件及节点均采用给定竹材与 502 胶水手工制作完成。B桥段结构的杆件采用给定竹材和502胶水手工制作，节点及连接部件采用给定的ABS塑料打印材料由3D打印机打印生成，最终B段桥梁结构由杆件与节点及连接部件装配而成，装配中不使用任何胶水。A、B桥段结构桥面板制作时要求满铺，不允许有空隙。B桥段在给定位置设有减速带。 连接用承台板主要用来承托给定的山体模型和制作的桥梁模型，模型与承台用自攻

螺钉通过连接件连接，承台板采用生态实木板制作。承台板上设有一条具有一定宽度的

图1模型三维示意图

三、山体模型、桥梁模型及承台板连接 山体模型与桥梁模型连接采用搭接方式，即在桥梁与各山体连接处设置搭接平台，搭接平台均设置在各山体小车通过平面下10mm处。虎口处与A段桥搭接平台，宽25mm，长210mm（如图3-5所示）；隧洞处与A段、B段桥梁搭接平台，宽25mm，长200mm（如图6-8所示）；棱台处与B段桥梁搭接平台，宽25mm，长180mm（如图9-11所示）。 山体及各桥段模型通过自攻螺钉（螺钉直径5mm，钉长16mm，重量为1g/颗)与承台板相连。要求A、B桥段桥墩柱脚处设置带孔连接件，用于螺钉与承台板锚固，其中A 桥段为手工制作连接件，B桥段为3D打印带孔连接件。比赛中，每队将配发10颗螺钉，

各队可视情况决定使用螺钉数，使用的螺钉重量将计入各队相应模型重量。

图2总模型布置图

图3  虎口三视图

          图4  1-1剖面图                          图5  虎口山体三维图 

图6  隧洞山体三视图 

图7  2-2剖面图                              图8  隧洞山体三维示意图 

图9  棱台三视图

          图10  棱台俯视图                        图11  棱台山体三维示意图

 四、材料及工具

    1、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。

     表1                     竹材规格及用量

         表2                     竹材参考力学指标

2、502胶水，10瓶（规格20克/瓶），用于规定模型制作； 

3 、3D打印机, 比赛采用太尔时代UP-Plus2打印机。打印材料为ABS塑料（型号： B601），3D打印材料参考力学特性见表3所示；

4 、制作工具，美工刀（3把），1米钢尺（1把），三角板（1套），砂纸（4张，粗砂、细砂各2张），锉刀（3把）、剪刀（2把）、手套（3副）、签字笔（1 支）、铅笔（2支）、橡皮（1块）、带量角功能木制圆规（1个）。

    表3               3D打印材料力学参考特性

五、模型制作时间

    模型制作时间为16小时。

六、模型加载及评判 模型加载采用动加载的形式完成，即配重的遥控小车通过制作安装好的桥梁结构。比赛时由参赛队指定一名参赛队员操作配重遥控小车从虎口山体出发，经过A段桥梁、隧洞山体、B段桥梁到达棱台山体完成一次加载。模型须进行两次动加载实验，第一级加载为 2kg 移动荷载（包括小车荷重和配重）、第二级加载为 4 kg移动荷载（包括小车荷重和配重）。每队加载成绩由各级加载成功时，计算所得荷重比分数和动载完成时间分数组成。 加载时，根据以下情况进行评判： 

1 、桥梁安装后，模型出现投影线内偏超过20mm，不予加载，参赛模型加载项成绩为零；

2 、加载时，桥梁结构发生整体倾覆、垮塌等，导致小车掉落，此次加载级及以后加载级成绩为零（即第二级加载出现此情况，加载项成绩算第一级加载成功的

成绩）； 

3 、每级加载时，当桥梁模型结构完整，但出现以下操作失误时，即认为本级加载失败（若此情况发生在第一级加载，则第一级加载失败，模型进入第二级加载）：

1 ）小车在操作障碍处无法前进或在某处停留时间超过10s时，参赛队员可对小车进行1次手扶调整，若使用此规则调整小车位置的，根据手扶位置，小车将按行驶路线拿回至经过的最近一座山体按规定位置重新出发加载，该加载过程计时不停止。若经1次手扶调整小车仍无法通行或在某处停留时间再次

超过10s时，本级加载失败；

   2）参赛队操作失误，小车从赛道掉落，本级加载失败。

（注：若是由于小车故障导致无法通行的，不算本级加载失败。） 七、评分标准

1、评分按总分100计算，其中包括：

1)计算书以及设计说明，10分；

2)结构选型以及制作质量，10分；

3)现场陈述，5分；

4)A段桥面板构件，桥面板（无加劲等构造）与桥面加劲梁系采用3D打印连接的，

3分；

5)模型精度，2分；

6)荷重比，60分；

7)动载完成时间，10分。