纸结构模型制作工艺与节点连接方式探究★

赵子涵 王钦亭* 杨 震 王 梓

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

纸结构模型制作工艺与节点连接方式探究★

赵子涵 王钦亭* 杨 震 王 梓

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

以“河南省第二届结构设计竞赛”命题为背景，对纸质杆件在制作与连接过程中所出现的问题进行了研究，并结合实际情况提出了相应的优化对策，以促进不同条件下纸模型制作工艺的发展。

纸结构模型，制作方法，杆件连接，荷重比，结构优化

0 引言

大学生结构设计类相关竞赛是面向土木工程专业学生所举办的科技创新类竞赛，因其与实际工程的紧密联系同时能够较好的培养学生结构创新意识、动手能力，而被誉为“大学生八大赛事”之一。木材、纸张以其环保、廉价易得、承载强度高等优点而成为比赛的主要选材[1]。对于纸质材料，遇水及胶后易收缩变形从而影响其强度、承载能力以及美观性。除此之外，杆件的连接方式会直接影响结构的整体稳定和荷重比。

现有文献多侧重于纸结构的截面选型以及承载能力，王志刚做了有关纸质材料在静态荷载作用下的力学性能探究[2]，秦武等研究了纸质材料承载力受纹路、宽度、厚度、湿度影响[3]。文献中对杆件的制作方法以及节点连接方式涉及较少。

本文以“河南省第二届结构设计大赛”为背景，并且结合实际的制作经验，对整个在制作过程中遇到的问题做出了一定的探究。

1 比赛命题分析

本次竞赛要求使用白卡纸(保定产175 g/m2～186 g/m2)和白乳胶(顶立牌)制作出一个房屋结构模型，要求屋面外轮廓的投影面积能够覆盖内部容纳的600 mm×400 mm×250 mm的试块。模型加载时采取结构顶部中心加载，加载板尺寸为300 mm×200 mm，加载上限为30 kg。

考虑结构的整体美观与荷重比，经过前期的结构设计、理论分析、模型制作，从最初的几种方案中选出优化空间较大的设计方案并进行后期的模型优化(见图1)。

2 杆件制作工艺的评价指标

作为结构模型的重要组成部分，纸质杆件的重量大小、制作工艺以及连接方式将直接影响结构整体的荷重比及整体美观[4]。对于制作工艺相关的评价指标，目前还没有明确的定义。但在实际制作过程中，由于操作不当可能会出现如下缺陷：

1)杆件卷的不密实且在风干后会出现气泡；

2)杆件风干之后发生收缩弯曲(见图2)；

3)杆件在制作过程中发生纸张的褶皱(见图3)；

4)杆件制作完成后表面不整洁、较脏；

5)杆件制作成功率较低。

在不影响结构整体美观以及其受力性能的前提下，对于纸质杆件而言，好的制作工艺就是：制作花费时间少，成功率高，在制作完成后杆件内部密实，表面整洁且在风干后不发生弯曲变形。

3 杆件制作工艺实际探究

市场上的该种纸大致可分为两种类型：一种单位面积质量小于180 g，这种纸吸水性强，吸水变形量大；另一种单位面积质量大于180 g，这种纸吸水性相对较弱且吸水后变形量小。在制作圆截面杆件时，前一种纸较后一种纸更易发生前面所述的现象。所以，在保证所做杆件符合各项要求的条件下，不同类型的纸采用不同的制作方法：

1)单位面积质量小于180 g。

此类材质偏软，在卷杆过程中不会产生因纸张顺逆纹而造成的褶皱现象，但是制作完成后，在风干的过程中表面水分蒸发速率的不同极易导致杆件弯曲，所以在卷杆工作完成后可以将杆件留在工具上待其风干后再取出。为提高制作成功率与制作质量此类杆件截面最好为多边形(见图4)。

2)单位面积质量大于180 g。

此类材质本身硬度高，若在卷杆时不注意纸质的顺逆纹，很容易导致所卷杆件出现褶皱与空隙，从而影响其承载能力，故避免逆纹卷纸(可用弯曲纸张感觉阻力大小来判断纹理走向)。实际制作时，此类杆件截面形状以圆形为宜，且在纸张一边用砂纸打磨提高粘结力。

卷杆时先将纸张起始处折起宽度为5 mm左右的纸边，用硬卡片沿纸边将其与卷杆工具紧密相贴，确定纸张与工具贴紧并无相对滑动后开始卷杆(此时先不涂胶，卷纸15次～20次使纸张产生纸痕以方便后期压密)。涂抹过程中用胶要适量，涂抹要均匀全面，防止出现局部含胶量不均匀造成的2中1)，3)现象。制作完成后用纸片来回按压纸杆提高内部密实度(见图5)。

4 节点连接方式的探究

实际结构中，节点的受力较为复杂。在大量模型加载试验中，结构破坏较多的地方就是杆件的连接处。就结构的荷重比以及整体美观而言，节点处理的方式更显重要。构件全部组装完成后质量有较大的增加，经过分析，增加的质量主要集中在连接件和多余的纸带上。

4.1 节点连接方式

就本次结构设计竞赛而言，其加载上限仅为30 kg，因此模型结构在设计时采用的就是减少多余约束的个数，提高节点连接的强度。

构件节点连接时的方法大致分为以下三类：

1)通过连接件连接(见图6)，这种连接方式适应杆件截面形状的范围广且强度基本都能满足受力要求，缺点是影响结构整体的美观，质量较重；

2)构件自身经过一定处理后形成节点(见图7)，这种连接方式满足美观要求的同时，质量(多余质量为涂胶和固定纸带质量)最轻，但需要依照杆件截面的不同而做出不同的设计，对制作人员的创造力有一定要求；

3)根据杆件截面的形状设计出相关的嵌入连接方案并且通过注胶提高节点强度(见图8，图9)，这种连接方式较美观，但杆件连续弯折部分较大的接触应力要求杆件壁厚不能太小，否则在接触部位会发生接触变形，这就在某种程度上增加了结构整体的质量。

本次结构模型设计竞赛主要受力杆件截面形状选定为圆形，连接方式采用嵌入注胶(见图9)。

4.2 杆件连接的蒙皮工艺

纸张的受拉性能要强于其受压性能，其所能承受拉力的大小

随着纸带横截面积的增大而增大。当纸带受拉时，往往会因为强度、粘结以及不均匀受拉问题产生破坏[5]。为满足受力需要，往往需要增加纸带的层数，而过厚的纸带层数不但不利于纸带与杆件之间的粘结，反而会因为含胶量的增加减弱其受力性能。以图1所示结构模型为例，方案改进前受拉构件全部以纸带连接，尽管后期承载力达到了要求，纸带对杆件的剪力极易导致杆件的受剪以及纸带自身的破坏(见图10)，可将受拉纸带改进为单层蒙皮(见图11)。

采用蒙皮工艺不仅提升了结构整体的美观，减轻了结构的整体质量，也在很大程度上增加了结构的整体稳定。与杆件较宽的接触面积将原有的拉力均匀的分布在整个杆件之上，避免了杆件的受剪破坏。最终优化结构如图11所示，总重143 g。

5 结语

通过总结分析参赛队员在参加“河南省第二届结构模型设计大赛”制作纸模型过程中所遇到的问题，得出了针对不同纸质条件下杆件的制作方法，与不同杆端截面下节点处理方式等关键问题的一些创新型做法，与此同时又引入了注胶与蒙皮这两种能够提高模型承载力与稳定度的制作方法。填补并发展了不同条件下纸模型制作工艺。

[1] 王立彬，李 靓.纸质构件力学性能实验研究[J].力学与实践，2010，32(6)：88-91.

[2] 王志刚，穆建春.纸质材料在静态荷载作用下力学性能的实验探究[J].广西轻工业，2009，25(6)：25-26.

[3] 秦 武，郑云霄.纸质材料力学实验分析[J].南昌大学学报(理科版)，2007,31(5)：266-269.

[4] 于 洋，姜 峰.关于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法[J].科技资讯，2008(2)：201-202.

[5] 解建超，朱江南.结构模型破坏问题及分析[J].硅谷，2009(18)：110.

Exploration research on making craft and joint connection for paper structural model★

ZHAO Zi-han WANG Qin-ting* YANG Zhen WANG Zi

(SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Taking “The Second Structural Design Competition in Henan Province” as the background, the paper studies problems occurring in paper membrane fabrication and connection, and puts forward optimal countermeasures by combining with actual conditions, with a view to promote the development of paper model fabrication under various conditions.

paper structure model, fabrication method, structural connection, loading rate, structural optimization

1009-6825(2014)11-0039-02

2014-01-18★：河南省教育教学改革项目(项目编号：2012SJGLX117)；河南理工大学土木工程学院大学生创新性试验项目资助

赵子涵(1993- )，男，学士； 王钦亭(1973- )，男，副教授； 杨 震(1993- )，男，学士； 王 梓(1993- )，男，学士

TU317.1

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