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(jì)競(jìng)賽作為旨在提高大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的科技活動(dòng)，受到了廣大高校和學(xué)生的關(guān)注。全國(guó)賽，地區(qū)賽，省級(jí)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(jì)競(jìng)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(jiǎng)項(xiàng)，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(jì)制定方案的出發(fā)點(diǎn)和著力點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

不論什么級(jí)別的比賽，一般都會(huì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的整體概念構(gòu)思和設(shè)計(jì)。只有當(dāng)整個(gè)體系都考慮清楚之后，才會(huì)進(jìn)一步到分體系或是構(gòu)件的具體構(gòu)思。如果整個(gè)體系沒(méi)有把握清楚就開(kāi)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(jì)可以參照結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范里的一些原則。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的傳遞途徑;對(duì)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(huì)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(shuí)實(shí)現(xiàn)。在考慮這些問(wèn)題的時(shí)候，同時(shí)牢牢把握框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)即要做到強(qiáng)柱弱梁。整體上不出錯(cuò)，才能保證結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的功能。競(jìng)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(shí)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(jì)合理，會(huì)對(duì)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(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(lèi)形式構(gòu)件的優(yōu)劣點(diǎn)、卡紙層數(shù)對(duì)其性能的影響以及卡紙本身的力學(xué)性能指標(biāo)等。下面分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(lèi)型，找出最為合理的紙質(zhì)桿件形式來(lái)承擔(dān)軸向力。選擇了5類(lèi)截面形式進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 不同截面形式受壓構(gòu)件承載力比較

分析試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，抗壓極限承載力最小的為C類(lèi)構(gòu)件，最大的為E類(lèi)構(gòu)件;荷重比較為突出的為A類(lèi)、E類(lèi)構(gòu)件，較差的有C類(lèi)、D類(lèi)構(gòu)件?？梢?jiàn)，柱子一類(lèi)的受壓構(gòu)件以原截面為宜。E類(lèi)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)采用同等長(zhǎng)度不同截面面積的空心圓(3層白卡紙)紙質(zhì)模型，長(zhǎng)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(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)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(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)始時(shí)隨著構(gòu)件直徑的增加，其荷重比增大;當(dāng)構(gòu)件直徑達(dá)到4 cm附近時(shí)，構(gòu)件荷重比達(dá)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(kāi)始減小?？偨Y(jié)試驗(yàn)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(dāng)紙質(zhì)空心構(gòu)件的長(zhǎng)徑比處于10附近時(shí)，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(lèi)結(jié)構(gòu)模型制作中常采用的截面類(lèi)型對(duì)其的抗彎能力進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，詳見(jiàn)表3。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:A類(lèi)構(gòu)件的構(gòu)件荷重比最高，但構(gòu)件自重也較高;B類(lèi)構(gòu)件荷重比最高，結(jié)構(gòu)自重適中;C類(lèi)構(gòu)件荷重比較差，結(jié)構(gòu)自重最小;D類(lèi)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(duì)比。在紙質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的制作中，選擇適當(dāng)?shù)目垖訑?shù)進(jìn)行構(gòu)件的粘貼也尤為重要，卡紙較少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的承載力太小;卡紙?zhí)鄷r(shí)，又會(huì)增加構(gòu)件的重量。所以，針對(duì)不同卡紙層數(shù)的紙質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎能力進(jìn)行了相關(guān)研究，詳見(jiàn)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(yùn)用的合理性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及比賽經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)設(shè)計(jì)

雖然“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的思想一直貫穿于整體設(shè)計(jì)中，但實(shí)踐中模型的破壞大都是節(jié)點(diǎn)破壞而不是構(gòu)件破壞。也就是說(shuō)保證模型結(jié)實(shí)耐用變形小的重要環(huán)節(jié)就是節(jié)點(diǎn)的牢固。紙質(zhì)模型的節(jié)點(diǎn)處理實(shí)際上比較困難，常用的方法有以下幾種。

3.1 節(jié)點(diǎn)貼片法

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

3.2 節(jié)點(diǎn)綁扎法

通過(guò)在節(jié)點(diǎn)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(shí)很容易綁扎時(shí)碰到棱角而使截面出現(xiàn)缺陷。

3.3 節(jié)點(diǎn)卯榫法

圓柱與矩形截面梁相連接時(shí)還可以采用在柱上預(yù)留切口，梁進(jìn)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(diǎn)處的處理

在模型加載過(guò)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(diǎn)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(lèi)問(wèn)題。

實(shí)際在處理節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，更多的是幾種方法同時(shí)使用。有些模型構(gòu)件上增加重量，卻不舍得給節(jié)點(diǎn)處多加一些，這其實(shí)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(huà)線。測(cè)量時(shí)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(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)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(huà)線的時(shí)候，可選擇用光墨水的簽字筆，不僅可以畫(huà)出折痕，方便折疊，而且不會(huì)弄臟卡紙。畫(huà)線時(shí)要求力度適中，力度過(guò)大會(huì)降低白卡紙的強(qiáng)度，力度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致劃痕不明顯，在折疊時(shí)容易使白卡紙發(fā)生偏折，同樣降低桿件強(qiáng)度。在畫(huà)線之前選擇好紙張的鋪放方向。

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

白乳膠必須有一定的流動(dòng)性，但不能太稀。膠合的時(shí)候最好用工具對(duì)粘貼面施加一定的壓力。膠水干后會(huì)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(lái)減小收縮:一是構(gòu)件膠合面盡量設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)抹面;二是采用單面涂抹時(shí)對(duì)其另一對(duì)稱(chēng)面進(jìn)行加熱處理，這樣可以抵消部分收縮變形。最好使用模具進(jìn)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(fēng)初步加熱風(fēng)干后將構(gòu)件置于通風(fēng)處自由晾干。在加熱風(fēng)干過(guò)程中，應(yīng)對(duì)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(shí)加熱風(fēng)干直至構(gòu)件完全成型再拆除模板。

5 結(jié)語(yǔ)

提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的承載能力，要綜合考慮各方面因素。整體概念設(shè)計(jì)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(diǎn)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(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)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(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

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

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