胡羽佳

[摘要]隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于所居住房屋安全性與抗震性能的要求也越來(lái)越高。房屋受力的大小、抗震能力與房屋自身的重量關(guān)系很大，因此如何減少房屋自身的重量，用最小的重量承擔(dān)最大的重量，并能夠抵擋水平力成為研究的核心，筆者通過(guò)參加同濟(jì)大學(xué)受力模型競(jìng)賽中對(duì)桐木結(jié)構(gòu)模型的研究與分析，提出了個(gè)人的一些觀點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]桐木結(jié)構(gòu)；方案；研究與分析

文章編號(hào)：2095-4085（2015）10-0021-02

1方案與構(gòu)思

本次的課題有三個(gè)，即承受最大荷載15kg，在承受荷載的狀況下水平拉動(dòng)5mm位移以及在形變5mm位移的狀況下自由振動(dòng)直到停止，而且應(yīng)當(dāng)保持在構(gòu)件不破壞的情況下重量最輕，所以本次的要求對(duì)剛度與強(qiáng)度都提出了要求，即豎向強(qiáng)度要大，而水平剛度要小，節(jié)點(diǎn)剛度較大，這樣才能夠較好地承擔(dān)豎向力與水平力的作用。在我們的生活當(dāng)中，最常見(jiàn)到的房屋結(jié)構(gòu)形式是框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)，其中框架結(jié)構(gòu)的水平剛度最小，而豎向承載能力差別不大，因此優(yōu)先考慮木框架結(jié)構(gòu)來(lái)完成本次的模型分析。

2桐木材料的性能分析

本研究所采用的材料為桐木材料，桐木結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特性，但是具體到實(shí)際的模型制作當(dāng)中，則需要考慮材料的各向異性，木材的紋理以及受力方向等，這些材料的性能直接會(huì)影響到構(gòu)件的穩(wěn)定性，從而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力，因此，筆者在制作之前，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能、重量進(jìn)行了實(shí)際的量測(cè)，測(cè)量情況如下。

桐木結(jié)構(gòu)的彈性模量：制作之前應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的彈性模量進(jìn)行實(shí)際量測(cè)，因?yàn)槿绻麖椥阅Ａ坎灰恢?，那么在均勻受力的條件之下，每一根木柱的壓力相同，壓縮值不一致，就會(huì)造成整個(gè)模型的偏心受壓，產(chǎn)生傾覆力矩，導(dǎo)致整個(gè)模型的傾斜與坍塌，桐木結(jié)構(gòu)的彈性模量用激光位移計(jì)與壓力計(jì)進(jìn)行，共量測(cè)十組數(shù)據(jù)，剔除異常值以后取平均值作為彈性模量的代表值，可得2×2mm的桐木桿件的彈性模量約為1272.66MPa，因此木條的強(qiáng)度是足夠支撐15kg的重量的。

桐木結(jié)構(gòu)的重量：在實(shí)際的材料當(dāng)中，同樣規(guī)格的木構(gòu)件由于木材密度的分布情況不同，其重量也有差異，如果同樣做四根受力柱，那么質(zhì)量輕的一根一定是最容易產(chǎn)生形變甚至損壞的，因此在制作當(dāng)中應(yīng)當(dāng)保證受力柱重量的一致。該組試驗(yàn)當(dāng)中，量測(cè)得2×2mm柱的平均重量為1.3g，因此選取柱材料的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)按照偏差不大于0.1g選取，而2×4mm的柱平均重量為2.5g，所以也應(yīng)當(dāng)在選材時(shí)按照偏差不大于0.1g選取。

膠水的選擇：在市面上的502膠水有多種品牌，但是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)表明，不同廠家生產(chǎn)的膠水性能差異較大，有的膠水可以在瞬間把兩個(gè)結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，強(qiáng)度也能夠保證受力需要，但是有的膠水則很難保證受力，粘結(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)，本次實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)比選，選擇開(kāi)拓者牌號(hào)的502膠水當(dāng)作試驗(yàn)專用膠水，強(qiáng)度較大，在試驗(yàn)過(guò)程中，也未出現(xiàn)過(guò)由于節(jié)點(diǎn)破壞而導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗現(xiàn)象。

3受力構(gòu)件截面尺寸分析

根據(jù)受力計(jì)算，2×2mm的桐木條豎向受壓強(qiáng)度是足夠的，因此理論上15kg的重量，一根2×2mm的柱便可以承擔(dān)，但是在實(shí)際模型當(dāng)中，需要考慮的一個(gè)因素就是長(zhǎng)細(xì)比，這與結(jié)構(gòu)當(dāng)中的理論也是一樣的，柱子不怕壓，但是一旦出現(xiàn)彎曲，就會(huì)產(chǎn)生二次力矩，而且一根柱子發(fā)生形變會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)，這樣結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌。所以，如何保證柱不產(chǎn)生撓度、結(jié)構(gòu)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)是研究的關(guān)鍵所在。

4模型受力結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

為了保證強(qiáng)度以及剛度的要求，本次模型選用框架結(jié)構(gòu)，采用2×4mm的角柱，共分三層，由于模型要求地上部分不大于500mm，因此層高分別為180mm，160mm，160mm，地基基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)之間用2×2mm木條連接，形成整體。梁采用2×4mm的梁，由于體系剛度要求較小，因此梁不設(shè)置在柱中間，而是用粘貼的方式設(shè)置在柱外側(cè)，同時(shí)在柱頂與柱腳之間采用2×2mm的木條進(jìn)行斜向連接，防止平面扭轉(zhuǎn)，樓板用細(xì)木條搭設(shè)，形成受力框架模型。這樣的結(jié)構(gòu)有較好的承載能力，柱的長(zhǎng)細(xì)比也滿足受力要求，剛度也較小。

5模型的制作要點(diǎn)

受力體系設(shè)計(jì)好以后，最為重要的就是模型的實(shí)際制作。因?yàn)樗褂玫牟牧隙急容^細(xì)小，因此想要加工好，需要嫻熟的技巧和不斷的練習(xí)，針對(duì)質(zhì)地比較堅(jiān)硬的桐木條，應(yīng)當(dāng)采用工具刀不斷地切割，而對(duì)于較軟的桐木條可以使用刀用力往下按，避免來(lái)回搓動(dòng)造成切割截面的損傷。為了使得不同的構(gòu)件能夠很好地連接在一起，在構(gòu)件截取好之后需要對(duì)端部進(jìn)行仔細(xì)的加工，比如用砂紙打磨，使構(gòu)件端面完整平滑，便于粘貼，或者切出斜面，能夠增加粘貼的面積，增加成功率等等。

6結(jié)論

經(jīng)過(guò)多次的加載試驗(yàn)，并對(duì)比分析各次試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了框架結(jié)構(gòu)采用角柱與斜撐體系能夠保證重量輕、受力性能優(yōu)秀等特點(diǎn)。從模型構(gòu)件的受力體系與受力性能角度出發(fā)，對(duì)結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)、優(yōu)化，具有很強(qiáng)的實(shí)用性與指導(dǎo)意義。