谈结构设计竞赛纸质模型承载力提高措施

常建梅 郭飞宇

(1.内蒙古大学交通学院，内蒙古呼和浩特 010070;2.中交路桥南方工程有限公司，北京 100000)

结构设计竞赛作为旨在提高大学生的创新实践能力的科技活动，受到了广大高校和学生的关注。全国赛，地区赛，省级比赛以及众多的校际比赛吸引了大量的学生参与。结构设计竞赛的获胜规则一般是在位移不超限的情况下，模型的承载能力与自身重量之比即荷重比最大。虽然也有最佳创意、最佳制作等奖项，但大家最重视的还是模型的承载能力——结构的定义即为能够承受荷载传递荷载并起骨架结构的部分。所以提高模型承载能力和变形能力是设计制定方案的出发点和着力点。

1 结构体系设计

不论什么级别的比赛，一般都会给出具体的题目和要求，是桥梁结构还是高层建筑，是单跨梁桥还是多跨梁桥。一定要从题目出发，进行结构体系的整体概念构思和设计。只有当整个体系都考虑清楚之后，才会进一步到分体系或是构件的具体构思。如果整个体系没有把握清楚就开始，结果是可想而知的。以框架结构为例，整体的概念设计可以参照结构抗震设计规范里的一些原则。结构应具有明确的计算简图和合理的传递途径;对可能出现的薄弱部位应采取措施比如梁柱连接部位;连接处的承载力应大于相连构件的承载力。具体而言，结构应该有一定的刚度，怎么样能尽可能减小变形，结构会有一定的质量，能更小吗，结构必须承受一定的竖向荷载和水平荷载，主要靠谁实现。在考虑这些问题的时候，同时牢牢把握框架结构的特点即要做到强柱弱梁。整体上不出错，才能保证结构能够实现一定的功能。竞赛中有的模型框架柱不是整体而是采用分段连接，一加载马上就破坏。再比如为提高框架结构的抗侧移能力，增加了斜撑，可是在放置模型的时候却将框架的方向放反了而导致加载失败。这都是整体概念不清晰。总之，结构整体的概念设计合理，会对提高模型的承载能力起到事半功倍的作用。

2 结构模型构件设计

结构设计竞赛的材料一般为白卡纸和白乳胶，结构模型就是若干纸质构件利用乳胶或铅发丝线连接而成。这其中包括构件的选型、构件间的连接、构件薄弱位置的加固等。为了使制作成型的构件满足承载力的要求，必须了解各类形式构件的优劣点、卡纸层数对其性能的影响以及卡纸本身的力学性能指标等。下面分别通过实验研究了受压构件和受弯构件不同截面尺寸、不同卡纸层数的构件承载能力。

2.1 轴心受压构件的承载能力

2.1.1 不同截面形式的比较

为了选择适合承受轴向拉压的纸质杆件的截面类型，找出最为合理的纸质杆件形式来承担轴向力。选择了5类截面形式进行了相关试验，结果详见表1。

表1 不同截面形式受压构件承载力比较

分析试验所得数据可知，抗压极限承载力最小的为C类构件，最大的为E类构件;荷重比较为突出的为A类、E类构件，较差的有C类、D类构件。可见，柱子一类的受压构件以原截面为宜。E类截面虽然荷重比较大，但是制作麻烦，柱子连接之间容易成为新的薄弱点，所以建议优先选用圆柱截面。

2.1.2 不同截面面积大小纸质构件的轴向抗压能力研究

该实验采用同等长度不同截面面积的空心圆(3层白卡纸)纸质模型，长度为40 cm，直径分别为1 cm，2 cm，4 cm，6 cm的空心圆构件进行抗压实验，结果见表2。

表2 不同截面面积纸质构件的抗压极限承载力

对比试验数据，开始时随着构件直径的增加，其荷重比增大;当构件直径达到4 cm附近时，构件荷重比达到极大值;随着构件直径的继续增大，构件的荷重比开始减小。总结试验数据可得:纸质结构构件的抗压承载能力随构件直径的增大呈抛物线变化。当纸质空心构件的长径比处于10附近时，该构件的抗压能力较为理想。

2.2 受弯构件承载力研究

1)不同截面形式的比较。为了找出适合作为纸质结构抗弯构件的截面形式，选择4类结构模型制作中常采用的截面类型对其的抗弯能力进行了相关试验，详见表3。

分析试验数据可知:A类构件的构件荷重比最高，但构件自重也较高;B类构件荷重比最高，结构自重适中;C类构件荷重比较差，结构自重最小;D类构件荷重比最差，构件自重适中。

2)不同卡纸层数构件的抗弯能力对比。在纸质结构模型的制作中，选择适当的卡纸层数进行构件的粘贴也尤为重要，卡纸较少时，会导致构件的承载力太小;卡纸太多时，又会增加构件的重量。所以，针对不同卡纸层数的纸质结构构件的抗弯能力进行了相关研究，详见表4。

表3 不同截面形式梁抗弯承载力比较

表4 不同层数梁承载能力研究

由表4可知，构件的抗弯能力随卡纸层数的增加而增加，且增幅逐渐增大。所以理论上卡纸层数越多，构件的抗弯能力越为突出。但考虑到构件运用的合理性，试验数据以及比赛经验，一般情况下粘贴构件的卡纸选取2层～3层最为合理。

3 节点设计

虽然“强节点弱构件”的思想一直贯穿于整体设计中，但实践中模型的破坏大都是节点破坏而不是构件破坏。也就是说保证模型结实耐用变形小的重要环节就是节点的牢固。纸质模型的节点处理实际上比较困难，常用的方法有以下几种。

3.1 节点贴片法

通过在节点处粘贴卡纸从而使节点部位处局部加厚增加结构的刚度。大多数节点都可以采取这样的处理方式，并且还在节点位置处截面内增加一些填充物来增强其刚度。

3.2 节点绑扎法

通过在节点处绑扎铅发丝线使构件连接在一起。但要注意绑扎的力度，尤其构件截面为矩形时很容易绑扎时碰到棱角而使截面出现缺陷。

3.3 节点卯榫法

圆柱与矩形截面梁相连接时还可以采用在柱上预留切口，梁进入柱截面的卯榫法。要特别注意预留洞口的精确，不能削弱柱子太多。

3.4 端点处的处理

在模型加载过程中，模型的一些承重端部常发生破坏，如模型与地面接触的构件端部和模型与荷载接触的构件端部。为了防止这些薄弱点的破坏导致模型整体承载能力的降低，通常情况下采用杆件内部填充和局部增加卡纸层数的方法解决这类问题。

实际在处理节点的过程中，更多的是几种方法同时使用。有些模型构件上增加重量，却不舍得给节点处多加一些，这其实是得不偿失的。

4 制作工艺

模型中绝大部分构件是由白卡纸制作而成的，因此模型承载能力与纸质构件的制作工艺直接相关。

首先根据定好的构件尺寸画线。测量时应注意多层卡纸构件的宽度的递增，根据卡纸厚度选择适当的尺寸进行多层构件外层的包裹粘贴，保证构件的外观符合预期要求。在画线的时候，可选择用光墨水的签字笔，不仅可以画出折痕，方便折叠，而且不会弄脏卡纸。画线时要求力度适中，力度过大会降低白卡纸的强度，力度过小会导致划痕不明显，在折叠时容易使白卡纸发生偏折，同样降低杆件强度。在画线之前选择好纸张的铺放方向。

裁剪过程中，长直线采用切纸刀、直尺在木板上裁剪，对于小尺度位置，采用木刻刀裁剪。裁剪过程中应注意安全。在折叠过程中一定要特别注意，防止发生偏折，尤其是长直构件和截面较小的构件要特别注意偏折问题。

白乳胶必须有一定的流动性，但不能太稀。胶合的时候最好用工具对粘贴面施加一定的压力。胶水干后会收缩变形从而导致构件的变形。可以采取以下两种方法来减小收缩:一是构件胶合面尽量设计为对称抹面;二是采用单面涂抹时对其另一对称面进行加热处理，这样可以抵消部分收缩变形。最好使用模具进行构件的粘贴比图例如塑料模具和金属模具。

最后干燥处理。电吹风初步加热风干后将构件置于通风处自由晾干。在加热风干过程中，应对构件粘贴面施加一定外力，防止出现胶结面粘贴不牢的现象;将构件与其模板同时加热风干直至构件完全成型再拆除模板。

5 结语

提高结构设计模型的承载能力，要综合考虑各方面因素。整体概念设计是关键，柱子宜选用圆柱，梁截面可采用箱形截面，卡纸层数不宜太多，以2层～3层为好。节点处理要给以特别重视，用精湛的工艺制作出合格的构件。只有这样，才能全方位提高参与者的创新能力、协作能力、动手能力和发现问题解决问题的能力，使自己的作品脱颖而出。

［1］林同炎.结构概念和体系［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［2］张海生，刘 凯.浅谈结构设计竞赛的材料性能和模型细节处理［J］.科协论坛，2011(1):72-73.

［3］金伟良.2005第一届全国大学生结构设计竞赛作品选编［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.