結構試驗的模型設計

曾恒林 呂煒杰 林潔怡 徐也 陳煥豪

摘 要：以全國大學生結構設計競賽的模型制作為例，在對竹皮、竹條加工制作模型過程中，材料選擇、手工制作及整體結構的受力體系直接關系到模型加載。以模型的加載數據、賽后進行強行破壞的破壞形式及其結構受力進行研究，解決模型制作過程中在材料選擇、構件優化及不同工況下如何進行結構設計等問題。

關鍵詞：模型設計；結構設計競賽；結構模型；構件優化

中圖分類號：TU5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0106-03

0 引言

結構試驗是對工程結構或構件采用加載或其他方式進行試驗，其關系到結構使用后的安全性，用以核對其設計要求或檢驗其是否安全可靠。結構設計模型的制作又是一大問題之一，破壞形式、破壞原因以及結構整體性在結構試驗中起著決定性作用。

1 材料性能

結構設計競賽竹皮材料主要有0.2 mm、0.35 mm及0.5 mm三種規格，查閱有關竹皮材料性能的材料總結以下3點[1]。

1.1 極限承載力與試件寬度的關系

在長度、厚度相同條件下，竹皮試件的極限承載力隨寬度的增加而增大，呈線性相關。0.35 mm厚度試件增長趨勢較穩定，承載力具有較強的上升空間，而0.2 mm和0.5 mm承載力上升空間不佳。這是由于厚度為0.35 mm竹皮材料的節點缺陷相對較少，而0.5 mm竹皮材料因為材料節點缺陷相對較多，致使寬度增加到一定值，承載能力達到極限狀態。

1.2 極限承載力與試件長度的關系

竹皮材料在厚度和寬度相同的條件下，試件長度越長，極限荷載值越小。

1.3 ?極限承載力與竹皮材料厚度的關系

竹皮試件在長度、寬度相同條件下，極限承載力隨著厚度增加而增大，同時，其增長的幅度呈上升趨勢[2]。

2模型制作

2.1 模型主要破壞形式

2.1.1 失穩破壞

桿件開裂致使失穩破壞。竹皮之間粘連的位置處因受較大的偏心軸力、扭矩或者多重不利荷載組合作用下，發生開裂的情況。

2.1.2 扭轉破壞

承載力小于荷載產生內力將致使桿件扭轉破壞。模型受較大扭轉荷載，產生的荷載大于桿件的極限承載力，也因桿件制作時由于手工差異，與計算結果不符，導致竹皮內陷，整體失穩。

2.1.3 拉帶（竹皮）斷裂破壞

拉帶（竹皮）斷裂導致模型承載力不足而被破壞。拉帶（竹皮）的極限承載力小于所受的拉應力，導致斷裂引起整個模型受力發生較大改變，所受荷載傳遞至其他薄弱位置。

桿件承載力不足致使主要承重構件破壞。主要受力構件如梁、柱位置發生破壞，大概率是由于受力分析出現問題，主要受力構件其極限承載力未滿足其所受荷載工況以及未滿足“強柱弱梁”的設計原則，梁為荷載受力點，更多的破壞地為柱。

2.1.4 節點破壞

未遵循“強節點弱桿件”將致使模型節點破壞。節點處理為結構設計競賽的痛點之一，以第十五屆結構設計競賽（如圖1所示）為例，挑檐梁受力可等效為懸臂梁（如圖2所示），位置的節點處所受彎矩（如圖3所示）及剪力（如圖4所示）最大，節點處理是模型結構制作的重點。

2.1.5 柱腳破壞

柱腳破壞將致使整體模型失穩破壞。柱腳在實際工程中類似于基礎部分，起著整個模型是否能夠完成完整加載過程的決定性因素；在結構設計競賽及校內選拔賽中，有大部分模型不重視柱腳的制作，采用單層0.5 mm的竹皮進行固定，致使在受模型單側荷載工況時，各柱腳產生了受拉及受壓不同的受力情況，導致柱腳破壞，模型一邊倒而破壞。

2.2 模型優化

模型制作主要分為桿件制作及節點處理兩方面。通過不同的破壞試驗，對桿件優化及節點處理進行研究，并提出以下的方法[3]。

2.2.1 腹中插片法

該優化方法可針對桿件破壞形式中的兩種情況，該方法通過先粘結三面竹皮，再根據腹中的寬度、高度，裁剪出貼合該部位的方塊，該片段可采用0.5 mm的竹皮或者6 mm×1 mm規格的竹條，在所需位置處腹中加入小竹片后，進行最后一面的粘貼。

該方法可以加強桿件四面竹皮的整體性，減少竹皮開裂而導致承載力下降的可能性，不足之處是制作流程繁瑣、小竹片的裁剪困難，如果裁剪出現誤差時容易導致四面粘合不均勻或者第四面無法貼合。可利用受力分析軟件，受力較大位置即薄弱位置進行插片即可。

2.2.2 竹皮圍合約束法

該方法與腹中原理類似，但其對破壞形式更有效，且制作工藝更簡便。其用0.2 mm的竹皮，裁剪10 cm長，2 mm寬的長條竹皮，對所需加固位置，進行纏繞滴膠水即可。其加固位置主要集中在受彎矩較大的中間處。該方法還可用于，節點位置處存在多重竹皮拉帶搭接情況，需注意竹皮必須與四面貼合，不能存在鏤空現象。

2.2.3 拉條的選擇及使用

0.35 mm的竹皮材料的“性價比”相對于其他兩種材料更高，可充分利用0.35 ?mm竹皮材料，對于受力較大位置可采用內外雙重保障，寬度采用5～8 mm最為合適。

除竹皮之外，還可使用竹條；不同大小內力可將竹條削至所能承受的截面尺寸然后進行粘合。除此之外，拉條的粘合，可將其貫穿支柱中并利用竹粉澆筑，將所受荷載傳遞至只要承重構件，并能夠保證模型整體性，避免竹條接觸面過小而節點破壞的情況發生[4]。

2.2.4 節點位置處理

最傳統的做法是通過竹材磨出的竹皮進行澆筑，使其形成整體。還裁剪0.2 mm適當尺寸的竹皮，將節點位置處兩根桿件進行粘合，避免兩根桿件之間的側向位移[5]。

2.2.5 柱腳制作

在各軟件受力分析過程中，都將柱腳設定為固定約束，因此模型能否最貼切計算書的承載能力，得確保支座的穩定性。可通過0.2 mm的竹皮材料裁剪兩條5 mm、寬度10 cm長度的長竹皮，利用3 mm×3 mm的竹條作為定位，將長竹皮通過竹條為孔邊卷邊使用膠水粘合，最后取出竹條獲得一個中間小孔的圓柱體；再利用相同規格的長竹皮，先將一邊利用膠水粘合在柱腳位置，再繞圈包裹圓柱體，邊繞邊使用膠水粘合，最終成型。

2.3 模型結構形式

一個經過優化的模型，可以做到“造價最低，受力性能最好”，從而達到經濟性、安全性的各項要求。在結構設計競賽中亦是如此，一個合理的結構體系，可以做到最輕的質量承受最大的受力工況，從而在比賽中獲得較好的成績。而結構競賽所使用的材料為竹材，其抗拉性能遠遠地大于抗壓、抗剪性能，故拉條的充分使用即可減少大多數不必要的桿件，充分地將荷載以拉力的形式通過拉帶傳遞至受力桿件[6]。

2.3.1受扭作用下的試驗結果

實際試驗結果對比如圖5、圖6所示。可以得出以下兩點結論。

第一，未加側向拉帶地加側向荷載2 kN后，柱子發生扭轉邊變形失穩破壞。

第二，加側向拉帶后，加5 kN后，拉帶節點處斷裂，依舊出現柱子扭轉破壞的情況。試驗節點處理不佳，但其承載力依舊增加了兩倍之多，可見在受扭過程中，拉帶能夠起到傳遞內力的作用，如圖6所示。

2.3.2彎矩作用下的試驗結果

第一，未使用拉帶的挑檐梁在承重3 kN后破壞，節點拉裂，最后整個挑檐梁壓斷（如圖7、8所示）。

第二，使用拉帶的挑檐梁（如圖9所示）在承重5kN后，柱子中間出現了較大撓度，在加至6 kN后拉帶斷裂后，挑檐梁節點瞬間壓斷（如圖10所示），可見在承重構件承載力足夠的情況下，挑檐梁的極限承載力提升了整整的兩倍。

3 結語

通過查閱相關資料及對結構模型的制作、加載，觀察其破壞特征，為后續參與結構設計競賽選手提供以下兩條的經驗總結。

第一，根據材料的性能不同，針對不同受力情況選用不同的材料，確保用最少的材料制作出最好的模型，如拉條可采用0.35 mm的竹皮材料、插片可采用0.5 mm竹皮材料、圍合約束可采用0.2 mm的竹皮材料。

第二，根據結構模型在加載過程中的破壞特征總結出各種解決方案以及全國大學生設計競賽中模型制作時，對竹材抗拉的優點的分析，體現拉帶的重要性，多使用拉條、拉帶來得到“高強輕質”的效果。

參考文獻

[1] 常海林，張旭欽，錢格軍，等.大學生結構設計大賽材料力學性能試驗研究[J].高等建筑教育，2017，26（5）：108-114.

[2] 賈新聰.結構競賽模型材料物理力學性能及模型設計制作研究[D].河南：華北水利水電大學，2018.

[3] 劉曉紅.大學生結構設計大賽的選型與設計[J].四川建材， 2016，42（7）：26-27.

[4] 于洋，姜峰，司炳君，等.關于結構設計競賽中模型的設計與制作方法[J].科技資訊，2008（2）：201-202.

[5] 黃祖偉，黃煥椿，劉祎康，等.結構設計競賽中模型工藝與制作方法研究[J].贛南師范大學學報，2017，38（6）：120-122.

[6] 賞瑩瑩，王麗佳，黃文琪.結構設計競賽中碰撞沖擊下梁式結構設計與模型制作[J].紹興文理學院學報（教育版），2019，39 （1）：104-109.