白卡纸结构模型力学探究

向映名 杜雨悦 陈俊霖 冯华能

摘  要：以白卡纸、502胶水为原材料制作巨型框架、空间桁架、平板网架等结构模型，进行动静载的承载破坏试验，分析不同结构体系的力学性能。探究表明：格构式结构体系的力学性能，格构式选型承载力大大提高。材料力学性能不够理想的白卡纸在赋予其良好的结构体系时，也表现了优良的承载能力。

关键词：白卡纸;结构模型;承载破坏实验;力学性能

中图分类号：TU318         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0023-03

Abstract： Using white jam paper and 502 glue as raw materials， the structural models such as mega-frame， space truss and flat space truss are made， the bearing and failure tests of dynamic and static loads are carried out， and the mechanical properties of different structural systems are analyzed. The results show that the mechanical properties of lattice structure system and the bearing capacity of lattice type selection are greatly improved. When the mechanical properties of the material are not ideal， the white jam paper also shows excellent bearing capacity when it is endowed with a good structural system.

Keywords： white paper jam; structural model; bearing failure experiment; mechanical properties

引言

隨着高层建筑、大跨度桥梁的发展和广泛应用，对于结构的承载力、稳定性、抗震等性能要求越来越高，因此结构体系的合理选择至关重要。为探讨不同结构体系的承载能力，本实验打破以竹皮为材料的常规，选用白卡纸进行不同结构模型的制作。

目前对白卡纸的力学性能研究较少，并且与竹皮相比，它具有轻质、低成本、易粘接成型的特点，同时有较高的抗拉强度、弹性模量，因此，本实验选用白卡纸作为实验材料。然后通过模型的制作以及力学试验，对不同结构体系的力学性能进行探究。

1 白卡纸的力学性能

经查阅文献可得白卡纸的力学参数和力学强度（见表1[1]，表2[2]）。

2 模型制作与加载

2.1 巨型框架结构

2.1.1 巨型框架结构特征及模型设计

巨型框架是由大型构件巨型柱、巨型梁等组成的主结构与由常规梁、柱构件组成的次结构共同工作的结构体系。

这种结构的受力特性为：主框架承受水平荷载产生的水平剪力与倾覆力矩以及竖向荷载，次框架承受竖向荷载并将其传递给主框架。因此巨型框架具有很大的抗侧移刚度和抗倾覆能力，巨型梁具有很大的抗弯刚度和抗剪能力，使其侧向位移较常规体系大大减少。

巨型框架结构的模型尺寸数据见图1。

2.1.2 加载设计

竖向静荷载实验通过将模型固定于地面后，依次在模型顶面增加钢片，记录模型能够承受的钢片重量来得到模型所承受的荷载值。实验最终，模型承受了18片钢片（约306N）。

水平动载实验同样首先将模型固定于地面，在模型顶面放上5片钢片，另外，通过使用不同重量的摆球的撞击来检验模型承受水平荷载的能力，实验图见图2。最终，在4.1kg摆锤自600mm处自由下摆，摆锤直径为100mm（动量约为14.78kg·m/s）的情况下，模型受到了破坏。

2.2 桥梁模型（空间桁架结构）

2.2.1 空间桁架结构特征及模型设计

空间桁架通常运用一个多向间距，是由张力杆和压力杆组成的结构，结构处在三度空间的受力状态下，这种结构能承受来自各个方向的载荷，对抗震大垮距的建筑物更能发挥功用。

这种结构的受力特点为：杆件主要传递拉压力，通过节点连接使其整体受力性能良好。因此此结构自重较轻，受力性能好，可以达到大跨的要求。同时结构由统一规格小杆件构成，截面形式多样，结构整体外观较为美观。

桥梁模型的尺寸数据见图3。

2.2.2 加载设计

将桥面两端固定好，并在桥面模拟出一个可滑动的路面，依次累计放上铁片，通过拉动铁片经过桥面，看其能承受多少铁片为依据来判断此模型的承受动载的能力。最终12块铁片（约204N）时，桥面模型被破坏。实验过程见图4。

2.3 屋顶模型（平面网架结构）

2.3.1 网架结构特征及模型设计

网架结构是一种空间杆系结构，受力杆件通过节点按一定规律连接起来。节点一般设计成铰接，杆件主要承受轴力作用，杆件截面尺寸相对较小。

荷载作用于各节点上，杆件主要承受轴力;各杆件互为支撑，形成多项受力的空间结构;为高次超静定结构;杆件规格统一;适应不同跨度、不同支承条件、不同建筑平面要求。

屋顶模型尺寸数据详见图5。

2.3.2 加载设计

将模型固定于地面，通过在模型顶面依次放铁片，通过模型的破坏程度来判断此模型所承受竖向荷载的能力。最终，当施放了9片铁片（约143N）时，模型被破坏。实验过程见图6。

3 实验结果与分析

利用白卡纸分别制作巨型框架、桥梁模型和屋顶结构这三种类型，通过加载分析其受力特点和不同点。最终通过加载试验，结合白卡纸受力特性分析出同种材料不同结构的受力特性并进行对比：通过施加竖向静荷载和水平动荷载。详细数据见表3。

表3 模型受荷情况

（1）巨型框架：主框架（角钢截面）承受水平荷载产生的水平剪力与倾覆力矩以及竖向荷载，次框架（梁：箱型截面;柱：三角形截面）承受竖向荷载并将其传递给主框架。

结构破坏：模型受到水平冲击时，整体结构受到较大的扭矩与剪力，由于纸材料柔度大可卸掉部分冲击力，使結构发生的侧移较小。又因为节点连接较弱，在受到水平冲击的过程中节点破坏断开。

通过以上试验数据可以得出：巨型框架具有很大的抗侧移刚度和抗倾覆能力，巨型梁具有很大的抗弯刚度和抗剪能力，使其侧向位移较常规体系大大减少。

（2）桥梁模型（空间桁架结构）：将卷裹的小纸球充当球铰，使各个杆件能够通过胶水牢固连接，满足构造与受力要求。杆件主要传递拉压力，通过节点连接使其整体受力性能良好。

结构破坏：底部侧边支撑由于承载过大发生弯曲变形导致承载不均匀最终侧翻结构杆件发生弯曲断裂。

（3）屋盖结构（平面网架结构）：主体结构采用的是平面网架结构，其结构的特点如下：荷载作用于各节点上，杆件主要承受轴力，各杆件互为支撑，形成多项受力的空间结构，形成高次超静定结构。

结构破坏：部分承压杆件承载力不足发生脆断，引起整体结构发生垮塌。

各类模型竖向承受荷载能力不同，其原因有以下几点：结构选型不同，用料量不同，节点处理连接不同，横截面选型，用处不同。

4 结论

4.1 巨型框架结构

巨型框架结构本身具有良好的承受水平荷载、竖向荷载以及倾覆的能力。用白卡纸制作的巨型框架，在承受竖向荷载方面表现良好，在抗剪抗倾覆方面由于白卡纸力学使其特性表现一般。可通过设置侧向支撑增加抗剪抗倾覆的能力。

4.2 空间桁架结构

空间桁架结构主要通过杆件承受拉力。由于白卡纸的抗力性能很好，所以在试验结果表现良好。该结构破坏主要发生在节点交汇处，所以可以通过增加连接点强度提高承载能力。

4.3 平面网架结构

平面网架结构主要通过各个杆件承受荷载，各杆件相互支撑形成高次超静定结构，结构稳定性较高。随着荷载增加，部分杆件承载力不足发生脆断，引起整体结构发生垮塌。所以可通过处理各部分杆件以及连接形式提升承载能力。

不同的结构形式有不一样的受力特点，因此合理的选择结构形式可以大大的提高建筑的承载能力。

参考文献：

[1]赵阳，郭菲，王东，等.以白卡纸为主要材料的结构竞赛的设计原理[J].山西建筑，2018，44（8）：243-244.

[2]方明伟，王丹，殷玲，等.承受分层竖向荷载及单向水平荷载的巴西卡纸结构模型的研究[J].呼伦贝尔学院学报，2016，24（6）：67-77.