談結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽紙質(zhì)模型承載力提高措施

常建梅 郭飛宇

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070;2.中交路橋南方工程有限公司，北京 100000)

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽作為旨在提高大學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力的科技活動，受到了廣大高校和學(xué)生的關(guān)注。全國賽，地區(qū)賽，省級比賽以及眾多的校際比賽吸引了大量的學(xué)生參與。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的獲勝規(guī)則一般是在位移不超限的情況下，模型的承載能力與自身重量之比即荷重比最大。雖然也有最佳創(chuàng)意、最佳制作等獎項，但大家最重視的還是模型的承載能力——結(jié)構(gòu)的定義即為能夠承受荷載傳遞荷載并起骨架結(jié)構(gòu)的部分。所以提高模型承載能力和變形能力是設(shè)計制定方案的出發(fā)點和著力點。

1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

不論什么級別的比賽，一般都會給出具體的題目和要求，是橋梁結(jié)構(gòu)還是高層建筑，是單跨梁橋還是多跨梁橋。一定要從題目出發(fā)，進行結(jié)構(gòu)體系的整體概念構(gòu)思和設(shè)計。只有當整個體系都考慮清楚之后，才會進一步到分體系或是構(gòu)件的具體構(gòu)思。如果整個體系沒有把握清楚就開始，結(jié)果是可想而知的。以框架結(jié)構(gòu)為例，整體的概念設(shè)計可以參照結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范里的一些原則。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的傳遞途徑;對可能出現(xiàn)的薄弱部位應(yīng)采取措施比如梁柱連接部位;連接處的承載力應(yīng)大于相連構(gòu)件的承載力。具體而言，結(jié)構(gòu)應(yīng)該有一定的剛度，怎么樣能盡可能減小變形，結(jié)構(gòu)會有一定的質(zhì)量，能更小嗎，結(jié)構(gòu)必須承受一定的豎向荷載和水平荷載，主要靠誰實現(xiàn)。在考慮這些問題的時候，同時牢牢把握框架結(jié)構(gòu)的特點即要做到強柱弱梁。整體上不出錯，才能保證結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的功能。競賽中有的模型框架柱不是整體而是采用分段連接，一加載馬上就破壞。再比如為提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，增加了斜撐，可是在放置模型的時候卻將框架的方向放反了而導(dǎo)致加載失敗。這都是整體概念不清晰。總之，結(jié)構(gòu)整體的概念設(shè)計合理，會對提高模型的承載能力起到事半功倍的作用。

2 結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的材料一般為白卡紙和白乳膠，結(jié)構(gòu)模型就是若干紙質(zhì)構(gòu)件利用乳膠或鉛發(fā)絲線連接而成。這其中包括構(gòu)件的選型、構(gòu)件間的連接、構(gòu)件薄弱位置的加固等。為了使制作成型的構(gòu)件滿足承載力的要求，必須了解各類形式構(gòu)件的優(yōu)劣點、卡紙層數(shù)對其性能的影響以及卡紙本身的力學(xué)性能指標等。下面分別通過實驗研究了受壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件不同截面尺寸、不同卡紙層數(shù)的構(gòu)件承載能力。

2.1 軸心受壓構(gòu)件的承載能力

2.1.1 不同截面形式的比較

為了選擇適合承受軸向拉壓的紙質(zhì)桿件的截面類型，找出最為合理的紙質(zhì)桿件形式來承擔軸向力。選擇了5類截面形式進行了相關(guān)試驗，結(jié)果詳見表1。

表1 不同截面形式受壓構(gòu)件承載力比較

分析試驗所得數(shù)據(jù)可知，抗壓極限承載力最小的為C類構(gòu)件，最大的為E類構(gòu)件;荷重比較為突出的為A類、E類構(gòu)件，較差的有C類、D類構(gòu)件?？梢?，柱子一類的受壓構(gòu)件以原截面為宜。E類截面雖然荷重比較大，但是制作麻煩，柱子連接之間容易成為新的薄弱點，所以建議優(yōu)先選用圓柱截面。

2.1.2 不同截面面積大小紙質(zhì)構(gòu)件的軸向抗壓能力研究

該實驗采用同等長度不同截面面積的空心圓(3層白卡紙)紙質(zhì)模型，長度為40 cm，直徑分別為1 cm，2 cm，4 cm，6 cm的空心圓構(gòu)件進行抗壓實驗，結(jié)果見表2。

表2 不同截面面積紙質(zhì)構(gòu)件的抗壓極限承載力

對比試驗數(shù)據(jù)，開始時隨著構(gòu)件直徑的增加，其荷重比增大;當構(gòu)件直徑達到4 cm附近時，構(gòu)件荷重比達到極大值;隨著構(gòu)件直徑的繼續(xù)增大，構(gòu)件的荷重比開始減小?？偨Y(jié)試驗數(shù)據(jù)可得:紙質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗壓承載能力隨構(gòu)件直徑的增大呈拋物線變化。當紙質(zhì)空心構(gòu)件的長徑比處于10附近時，該構(gòu)件的抗壓能力較為理想。

2.2 受彎構(gòu)件承載力研究

1)不同截面形式的比較。為了找出適合作為紙質(zhì)結(jié)構(gòu)抗彎構(gòu)件的截面形式，選擇4類結(jié)構(gòu)模型制作中常采用的截面類型對其的抗彎能力進行了相關(guān)試驗，詳見表3。

分析試驗數(shù)據(jù)可知:A類構(gòu)件的構(gòu)件荷重比最高，但構(gòu)件自重也較高;B類構(gòu)件荷重比最高，結(jié)構(gòu)自重適中;C類構(gòu)件荷重比較差，結(jié)構(gòu)自重最小;D類構(gòu)件荷重比最差，構(gòu)件自重適中。

2)不同卡紙層數(shù)構(gòu)件的抗彎能力對比。在紙質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的制作中，選擇適當?shù)目垖訑?shù)進行構(gòu)件的粘貼也尤為重要，卡紙較少時，會導(dǎo)致構(gòu)件的承載力太小;卡紙?zhí)鄷r，又會增加構(gòu)件的重量。所以，針對不同卡紙層數(shù)的紙質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎能力進行了相關(guān)研究，詳見表4。

表3 不同截面形式梁抗彎承載力比較

表4 不同層數(shù)梁承載能力研究

由表4可知，構(gòu)件的抗彎能力隨卡紙層數(shù)的增加而增加，且增幅逐漸增大。所以理論上卡紙層數(shù)越多，構(gòu)件的抗彎能力越為突出。但考慮到構(gòu)件運用的合理性，試驗數(shù)據(jù)以及比賽經(jīng)驗，一般情況下粘貼構(gòu)件的卡紙選取2層～3層最為合理。

3 節(jié)點設(shè)計

雖然“強節(jié)點弱構(gòu)件”的思想一直貫穿于整體設(shè)計中，但實踐中模型的破壞大都是節(jié)點破壞而不是構(gòu)件破壞。也就是說保證模型結(jié)實耐用變形小的重要環(huán)節(jié)就是節(jié)點的牢固。紙質(zhì)模型的節(jié)點處理實際上比較困難，常用的方法有以下幾種。

3.1 節(jié)點貼片法

通過在節(jié)點處粘貼卡紙從而使節(jié)點部位處局部加厚增加結(jié)構(gòu)的剛度。大多數(shù)節(jié)點都可以采取這樣的處理方式，并且還在節(jié)點位置處截面內(nèi)增加一些填充物來增強其剛度。

3.2 節(jié)點綁扎法

通過在節(jié)點處綁扎鉛發(fā)絲線使構(gòu)件連接在一起。但要注意綁扎的力度，尤其構(gòu)件截面為矩形時很容易綁扎時碰到棱角而使截面出現(xiàn)缺陷。

3.3 節(jié)點卯榫法

圓柱與矩形截面梁相連接時還可以采用在柱上預(yù)留切口，梁進入柱截面的卯榫法。要特別注意預(yù)留洞口的精確，不能削弱柱子太多。

3.4 端點處的處理

在模型加載過程中，模型的一些承重端部常發(fā)生破壞，如模型與地面接觸的構(gòu)件端部和模型與荷載接觸的構(gòu)件端部。為了防止這些薄弱點的破壞導(dǎo)致模型整體承載能力的降低，通常情況下采用桿件內(nèi)部填充和局部增加卡紙層數(shù)的方法解決這類問題。

實際在處理節(jié)點的過程中，更多的是幾種方法同時使用。有些模型構(gòu)件上增加重量，卻不舍得給節(jié)點處多加一些，這其實是得不償失的。

4 制作工藝

模型中絕大部分構(gòu)件是由白卡紙制作而成的，因此模型承載能力與紙質(zhì)構(gòu)件的制作工藝直接相關(guān)。

首先根據(jù)定好的構(gòu)件尺寸畫線。測量時應(yīng)注意多層卡紙構(gòu)件的寬度的遞增，根據(jù)卡紙厚度選擇適當?shù)某叽邕M行多層構(gòu)件外層的包裹粘貼，保證構(gòu)件的外觀符合預(yù)期要求。在畫線的時候，可選擇用光墨水的簽字筆，不僅可以畫出折痕，方便折疊，而且不會弄臟卡紙。畫線時要求力度適中，力度過大會降低白卡紙的強度，力度過小會導(dǎo)致劃痕不明顯，在折疊時容易使白卡紙發(fā)生偏折，同樣降低桿件強度。在畫線之前選擇好紙張的鋪放方向。

裁剪過程中，長直線采用切紙刀、直尺在木板上裁剪，對于小尺度位置，采用木刻刀裁剪。裁剪過程中應(yīng)注意安全。在折疊過程中一定要特別注意，防止發(fā)生偏折，尤其是長直構(gòu)件和截面較小的構(gòu)件要特別注意偏折問題。

白乳膠必須有一定的流動性，但不能太稀。膠合的時候最好用工具對粘貼面施加一定的壓力。膠水干后會收縮變形從而導(dǎo)致構(gòu)件的變形?？梢圆扇∫韵聝煞N方法來減小收縮:一是構(gòu)件膠合面盡量設(shè)計為對稱抹面;二是采用單面涂抹時對其另一對稱面進行加熱處理，這樣可以抵消部分收縮變形。最好使用模具進行構(gòu)件的粘貼比圖例如塑料模具和金屬模具。

最后干燥處理。電吹風初步加熱風干后將構(gòu)件置于通風處自由晾干。在加熱風干過程中，應(yīng)對構(gòu)件粘貼面施加一定外力，防止出現(xiàn)膠結(jié)面粘貼不牢的現(xiàn)象;將構(gòu)件與其模板同時加熱風干直至構(gòu)件完全成型再拆除模板。

5 結(jié)語

提高結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的承載能力，要綜合考慮各方面因素。整體概念設(shè)計是關(guān)鍵，柱子宜選用圓柱，梁截面可采用箱形截面，卡紙層數(shù)不宜太多，以2層～3層為好。節(jié)點處理要給以特別重視，用精湛的工藝制作出合格的構(gòu)件。只有這樣，才能全方位提高參與者的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、動手能力和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，使自己的作品脫穎而出。

［1］林同炎.結(jié)構(gòu)概念和體系［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］張海生，劉 凱.淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的材料性能和模型細節(jié)處理［J］.科協(xié)論壇，2011(1):72-73.

［3］金偉良.2005第一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽作品選編［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.