20##级卓越计划“结构创新设计与实践”课程

第一次实践竞赛题目

“简支梁纸桥”模型结构设计、制作与测试

一、竞赛概况

竞赛内容包括三个部分：模型设计，模型制作，模型测试。

1、模型设计

每个参赛小组在比赛当天登记并提交一份计算书。计算书需要详细说明此结构设计，并据此制作模型。

2、模型制作

每个参赛小组在比赛当天提交参赛模型。模型在赛前须制作完成，只可使用竞赛组委会提供的材料。

3、模型测试

模型的结构测评将在比赛当天进行。每个模型需要经受两种加载：静态竖向加载试验和竖向冲击加载试验。每个小组需把模型放在实验台上在评委面前进行加载试验。

二、材料和工具

大赛将提供以下材料，用于制作模型。

230g白卡纸，蜡线，白乳胶

制作模型的以下工具请自备：

裁纸刀、剪刀、直尺、三角尺、量角器、铅笔、橡皮擦等

三、结构模型

本次比赛旨在设计并制作一个缩小版的简支桥梁，如图1所示（示意图，可采用其它结构形式）。该模型要求以尽可能轻的重量来经受两项加载试验，同时应力求美观。

该桥梁轮廓尺寸：宽度不大于210mm，长度不大于1050mm，高度不大于500mm。要求桥面宽度为200(误差±10)mm，长度为1000(误差+20)mm，桥面平直，可以不设桥面板（允许有高于桥面的结构，但不得影响加载，其模型尺寸必须符合轮廓尺寸要求）。

模型质量不得超过100g。

桥梁搁置在净间距为1000mm的简支支座上，支座由组委会提供，不属于桥梁结构。支座只提供竖向支持力，不得利用支座水平力。所有结构的组成部分必须由组委会提供的材料建成。该模型必须遵循所提供的尺寸，否则取消比赛资格。

图1 桥梁示意图（其中100改为200）

四、测试程序

所有模型将经过两道加载试验，其顺序为：静态竖向加载挠度测试试验和竖向极限加载试验。每个小组需在委员会的指导和协助下进行荷载试验。在加载试验期间，每个小组有责任小心保护好模型，使模型在测试之前不至于损坏。只有那些成功通过挠度测试试验，并没有发生破坏的模型，才能继续进行竖向极限加载试验。试验的加载点和加载方式如图2、图3所示。

图2 竖向加载示意图

图3 加荷板与吊篮示意图

（一）竖向加载挠度测试试验

这是第一项加载试验程序。在桥梁跨中放置加荷板（加荷板必须位于两端支座连线的平面或以上），加荷板与下方的吊篮相连（加荷板与吊篮总重约60N，加荷板平面为200mm×300mm的长方形），加荷板加上10秒后记录桥梁跨中的挠度（竖向位移），记为D_i（考虑各参赛队桥梁差异，不直接测量桥梁挠度，以加荷板的竖向位移代替）。此试验要求模型不发生破坏。如果模型发生倾覆，则认为加载失败。如果模型挠度过大（大于跨度的1/20，即50mm），也认为加载失败。

注：上述“破坏”的定义为“构件出现明显开裂、断开或者节点脱开”。

（二）竖向极限加载试验

这是第二项加载试验程序，该项试验与竖向挠度测试试验类似。在第一项试验结束后，在吊篮中继续添加砝码，每件参赛模型有5次加载机会。加载荷载由选手现场自由确定。加载只能单调增加荷载，不允许先卸载后加载。每级加载后，必须持荷20秒以上方能继续下一级荷载。此外，在同一级荷载加载过程中，每次加载砝码的间隔必须小于5秒。现场提供1-10kg不同等级砝码。

加载完成后，得出结构的极限荷载（含加荷板与吊篮的重量）

参赛模型在加载过程中，凡出现下列情况之一即视为结构破坏或失效，试验停止：

（1）  荷载加上去后20秒以内（含20秒）模型垮塌；

（2）  模型竖向或横向最大位移大于跨度的1/10。

若出现以上情况，一律以上一级的荷载为结构极限荷载。

五、评分规则

（一）结构评分按总分100分计算，其中包括：

1. 计算书及设计图                            10%        （共10分）

2. 结构选型与制作质量                        10%        （共10分）

3. 现场表现                                   5%        （共5分）

4. 结构刚度/质量比                            30%        （共30分）

5、结构极限荷载/质量比                        45%        （共45分）

（二）评分细则：

1. 计算书及设计图（共10分）

1）计算内容的完整性                          共6分

2）图文表达的清晰性、规范性                  共4分

注：计算书要求包含：结构选型、结构建模及主要计算参数、受荷分析、节点构造、模型加工图（含材料表）。

2．结构选型与制作质量 （共10分）

1）结构合理性与创新性                        共6分

2）模型制作美观性                            共4分

3．现场表现 （共5分）

1）赛前陈述                                  共3分

2）赛中答辩                                  共2分

4．结构刚度/质量比 （共30分）

在所有成功完成第1步试验的模型中，计算出各模型的结构刚度/质量比K_i：

K_i=(20mm/D_i)×(100g/m_i)

式中，D_i为第i个模型第1步测的的挠度值（mm），m_i为第i个模型的质量（g）。

K_i最小者得5分，最大者得30分，其余各队模型的刚度分数S₁按下式计算：

S₁=(K_i-K_min)/(K_max-K_min)×25+5

式中：K_max为所有模型中的最大刚度/质量比，K_min为所有模型中的最小刚度/质量比；本项所得分数保留小数点后两位。

5．结构极限荷载/质量比 （共40分）

在所有进行第2步试验的模型中，计算出各模型的结构极限荷载/质量比T_i：

T_i=模型的极限荷载（kg）/(模型质量（g）×0.001)

T_i最小者得5分，最大者得45分，其余各队模型的刚度分数S₂按下式计算：

S₂=(T_i-T_min)/(T_max-T_min)×40+5

式中：T_max为所有模型中的最大极限荷载/质量比，K_min为所有模型中的最小极限荷载/质量比；本项所得分数保留小数点后两位。

    将以上5项分数相加，即为该模型比赛总分。

第二篇：搭纸桥

《搭纸桥》课堂实录

设计、执教：美林罗圈铺小学 冯学谦

【活动目标】

1．初步了解与桥相关的知识，了解“跨度”、“承重”、“桥面剖面形状”等概念。

2．提高学生动手能力，手脑结合，通过改变桥面剖面形状尝试提高纸桥承重能力。

3. 鼓励学生不怕失败，勇于尝试。

4．以“搭纸桥”活动为载体，对学生进行结构力学方面的启蒙教育，即让学生通过动手实践，发现“改变材料的剖面形状会使材料的物理强度发生变化”这一现象，引导学生发现并理解其在日常生活中的有效运用。

【活动主体】小学六年级学生

【活动流程】

一、课题导入

师：水乡小桥多，人家尽枕河。苏州是江南水乡，桥在我们的生活中随处可见。你们平日可曾留意，都见过哪些形状的桥呢？

生（略）：一折一折的九曲桥、弯弯的石桥、平平的石板桥、像彩虹一样架在空中的高架桥……

师：（出示桥的图片）这是老师家乡昆山周庄的双桥。这两座桥中，一座呈半圆形，这是——？（生：石拱桥）旁边还有一座桥，它是由几块石梁铺成的，这是一座——？（生：平桥）这两座桥，一圆一方，跟古代的钥匙很相象，所以又叫钥匙桥，这就是昆山著名的“双桥”。（课件出示一系

列古今名桥，如南京长江大桥、独木桥、赵州桥、宝带桥、上海南浦大桥等）

师：看了刚才的图片，再联系我们生活中的桥，想想哪些材料可以用来造桥？

生（略）：木头、竹子；石头；水泥，钢铁……

师：你们可见过用纸造的桥？今天，我们就要一起来用纸造桥。（课件显示“搭纸桥”字样）

二、提出任务

师：老师先来搭一座纸桥。我拿两个纸盒当作桥墩（板书：桥墩），两个桥墩之间的距离叫作跨度（板书：跨度），注意啊，这是指桥墩相对一侧的距离（演示指出）。好了，现在桥墩做好了，我们把跨度定在15厘米，请一位同学上来帮我测量一下。今天，我搭桥用的材料是一张白色的卡纸，用它做桥面（板书：桥面）。看，桥造好了，这桥怎么样？

生（略）：这桥不结实；桥会塌掉的……

师：好，我们一起来用钩码测测这座桥到底结不结实？（出示并板书：钩码）每个钩码重50克！（把一个钩码放到桥面上，桥面瞬即塌陷。）哈！原来这是一项“劣质工程”。它能承受的重量太小了，这就是“承重”的太小！（板书：承重）。顾名思义，谁来说说什么是“承重”？

生：承受的重量。

师：再试一遍，说完整，谁承受的重量？

生：是桥承受的重量。

师：对！它通常是指桥面能够承受的最大重量。

同学们，你知道吗？重庆有一条大江叫“綦江”，原来江面上横跨一座大桥叫“虹桥”，几年前的一天，当人们正常行走在桥上的时候，突然！“轰”的一声，桥塌了！很多鲜活的生命瞬间消逝！这是“豆腐渣工程”，它的“承重”不合标准！这样的桥我们不能造，今天我们要做造纸桥的优秀工程师，动脑动手造出承重能力强的纸桥，大家有没有信心？！

（出示制作要求）

搭纸桥比赛规则

1.跨度：15厘米；

2.桥面宽度：不大于10厘米；

3.桥面使用材料：一张白卡纸，可以对它进行任意的折、剪、裁、粘、贴，努力充分利用；

师：桥墩的跨度是15厘米，每造一座桥你只能用一张卡纸，这些是我们的规定。这张白纸你可以折、裁、剪、粘、贴，甚至连剪裁下来的边角料也可以用上，这就叫充分利用！可以使用辅助材料双面胶或透明胶，我们要比比谁造的桥承重更大？

三、过程指导

1.自由尝试

（学生活动一）学生分组进行尝试，大部分采用了单层或双层平板桥结构，也有采用了拱桥结构，但初次尝试，大部分学生的作品承重太小，失败者居多。

（集体交流一）

师：同学们，在刚才的自由尝试中，你成功了吗？你碰到了什么困难？你有解决问题的想法吗？来和大家交流一下吧。

生1：我们搭了一座拱桥，可放钩码不太顺利，要么一放上去就滑下来，要么一放上去桥就塌了。接下来，我想做做其他形状的桥。

生1：我们搭的是平板桥，开始用了一层纸，一个钩码都无法承受，后来我用两层纸，可以放上一个钩码了，但放第二个时，桥就塌了。我想再加厚几层试试看。 生3：我们小组做的桥面形状有点像两座“小山”，已经可以承重12个钩码了！ 师：哦，在刚才的操作中，有的小组成功了，有的小组失败了。没关系！这只是我们的第一次尝试，下面还有机会，我们会越做越好的！只是，大家要仔细倾听、认真思考，失败的找原因，想办法改进，成功的要总结经验，扩大成果。

2.成功交流

（学生活动二）学生分组合作，进行第二轮制作。

（集体交流二）

师：你们的纸桥承重竟然这么棒！来，给大家看看（侧面展示学生作品）。大家注意，从你们的角度侧看桥面，它的形状有个专门的名称，叫“桥面剖面形状”（板书）。看一看，比一比，大家有没有注意到，这组同学的“桥面剖面形状”和我们大多数人的有何不同？

生：我们大多是一条直线，而他们则是两座“小山”……

师：那，大家有没有从中获得一些启示呢？

生（略）：把剖面形状变成小山形可以提高承重；把剖面形状变成其他形状，也许可以提高承重……

3.深度探索

师：你们的猜测很有价值。来，在我们的操作要求里，老师再加一项“桥面剖面形状不限”，就请大家按自己改进后的想法作一个深度探索吧！

（学生活动三）学生分组制作，教师流动指导。

（组一）

师：你们两个都做了“小山”的剖面形状，你是三座小山，他是两座大一点的小山，你们的承重有差别吗？

生：好象山峰高一点的桥面承重要大一些。

师：是“好象”吗？你能确定吗？你们准备怎样确定这个结论？ 生：我们再搭两座山峰不同的桥来比一比！

师：你们可以试一试，等会请把结果告诉大家。

（组二）

生：老师，老师，我们的纸桥可以放29个钩码啦！

师：啊，你们是怎么做的桥面？

生1：老师，我把纸卷成一个大的圆筒，用胶带把它粘住，纸筒里面可以放上两排钩码，再在外面放上钩码，我已经放不下啦！

师：那你得出什么结论？你接下来，能不能向更大的承重挑战！ 生2：老师，我想卷几个细一点紧一点的纸筒，把他们用胶带纸粘起来，做成竹排的样子，不知道可不可以有更大的承重？

师：哦，好主意！你赶快试一试吧！

（组三）

生1：老师，我们发现两层的小山结构要比单层的小山结构承重更大！原本单层的小山可以承受16个钩码，现在双层小山，有28个啦！

生2：我看到他把两层小山重叠起来，我想能不能把其他形状组合起来…… 师：请你等一等，跟大家说说你的想法。

（集体交流三）

师：（转向全体学生）请同学们停一停！这组同学在搭桥的过程中有了惊人的发现！我们来请他们讲讲！

生：我看到我们组有两个同学，用纸折了把两层小山重叠起来，能够放许多钩码。我想能不能把其他形状组合起来，我就折一个剖面为长方形的纸筒，再在里面塞了一个山形结构，这座纸桥可以承重38个钩码！

师：同学们，他们这组采用的剖面结构不再是单纯的圆形、方形或小山形，而是将这几种形状中的某两个或三个结合起来，这称为复合结构，纸桥的承重能力大了许多。在科学探索中，别人的成功经验，有时可以成为你成功的起点，大家可以在自己的研究方向上作进一步思考，也可以尝试一下复合结构。

4.榜上有名

师：在接下来的探索中，请将你们搭的纸桥的最大承重填写在下面表格里！画出你们搭的纸桥的剖面形状，并写上发现人的大名！比一比，看谁的纸桥承重大！

（学生活动四）

（集体交流四）（略：教师简要总结探索过程。）

5.组际比赛。

师：准备3分钟，各组重新做一座承重最大的桥，等会儿我们当众比赛！ （学生活动五）

（集体交流五）现场比拼！

师：我们一起来数数，按节奏一个个往纸桥上放置钩码，看看哪一组的纸桥可以坚持到最后。现在，比赛开始！一、二、三……

全体学生大声整齐地数数：一、二、三……

……………

四、理性反思

师：在刚才的比赛中，这组同学采用了复合结构“小山加长方形”制造纸桥，最终放置了42个钩码，也就是——2100克（学生齐声报出）！一张白纸做成的纸桥竟有这么大的承重！同学的创造力真是非凡！结合刚才的比赛，再看看黑板上的表格，同学们有没有什么发现！用“我发现……”来说！

生1：我发现，在表格里有不同桥面的剖面形状，它们的承重能力是不一样的，有的大，有的小。

生2：我发现，原来我们造的平板桥只能承重两三个钩码，可是后来我们用了小山结构，承重大了许多！我发现了改变桥面剖面形状可以让承重变大。 生3：我补充，我发现，在剖面形状中，复合结构的纸桥比只用一种结构的承重大许多！我们原本的小山形钩码放多了，小山的山峰塌了，但如果在小山上再放一层纸，就又可以多放好多钩码，并且，桥面平了，钩码放起来方便多啦！ 生4：老师，老师，我通过和我旁边一组比较发现，我们的小山高，他们的小山低，高山的承重要比低山的承重大一些

…………

师：多么了不起的发现啊！大家注意到了吗？在我们的活动中，拱桥一开始就被同学们尝试，可大多在承重方面表现不佳，就放弃了。其实生活中很多桥梁都是拱桥，像吴门桥、赵州桥等，它们的承重也是很大的！同样，斜拉桥也是如此。由于实验材料和设备的限制，我们今天无法制成这样的拱桥、斜拉桥模型，现在就只能请同学们来看看这些模型了（媒体展示纸桥多样模型）。有兴趣的同学可以课后再去搭一搭今天没有出现的纸桥模型，当然，材料就不再有限制啦！

师：其实，现实生活中，许多桥梁就是通过改变桥面剖面形状来提高承重的，大家有没有留意过，我们苏州的高架桥，它是采用了什么样的剖面形状呢？

生（略）：差不多是长方形的剖面；我觉得是梯形！……

师：来，我们一起借助三维动画进入高架桥的内部去看一看吧！（播放三维动画，展示高架桥内部变化多端的剖面形状）

师：谁能用一句总结性的话来说说，通过我们今天的活动，你发现了可以通过怎样的办法来改变桥的承重能力？

生：通过活动，我发现改变桥面剖面形状可以改变桥的承重能力。

五、课外拓展延伸

师：说得好！改变剖面形状确实可以改变材料的物理强度。其实，生活中改变剖面结构的做法不光运用在造桥中（实物展示瓦楞纸板、塑钢型材截段，课件展示铁轨剖面等，并对这种改变的用意加以说明）。只要你善于观察，你还将会发现许多这方面的应用。

同学们，下课时间快到了，但我们的活动却没有结束，同学们应该带着问号走出课堂！比如可以想想，不同桥面剖面形状会影响桥的承重能力，那么，同一类型的剖面形状（如波浪形、折扇形、小山形）它的折幅大小不同，会不会也带来不同的承重能力呢？改变桥的跨度，对承重会有影响吗？生活中还有哪些地方运用了这些科学道理呢？我们能否用这个科学道理去改善某些生活中不如意的地方呢？……老师期待着同学们更细致的研究！

有一句话，老师要和同学们共勉：不断尝试，不断探索，这就是科学发现的魅力！