白卡紙結(jié)構(gòu)模型力學(xué)探究

向映名 杜雨悅 陳俊霖 馮華能

摘? 要：以白卡紙、502膠水為原材料制作巨型框架、空間桁架、平板網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)模型，進行動靜載的承載破壞試驗，分析不同結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能。探究表明：格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能，格構(gòu)式選型承載力大大提高。材料力學(xué)性能不夠理想的白卡紙在賦予其良好的結(jié)構(gòu)體系時，也表現(xiàn)了優(yōu)良的承載能力。

關(guān)鍵詞：白卡紙;結(jié)構(gòu)模型;承載破壞實驗;力學(xué)性能

中圖分類號：TU318? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

隨著高層建筑、大跨度橋梁的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對于結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性、抗震等性能要求越來越高，因此結(jié)構(gòu)體系的合理選擇至關(guān)重要。為探討不同結(jié)構(gòu)體系的承載能力，本實驗打破以竹皮為材料的常規(guī)，選用白卡紙進行不同結(jié)構(gòu)模型的制作。

目前對白卡紙的力學(xué)性能研究較少，并且與竹皮相比，它具有輕質(zhì)、低成本、易粘接成型的特點，同時有較高的抗拉強度、彈性模量，因此，本實驗選用白卡紙作為實驗材料。然后通過模型的制作以及力學(xué)試驗，對不同結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能進行探究。

1 白卡紙的力學(xué)性能

經(jīng)查閱文獻可得白卡紙的力學(xué)參數(shù)和力學(xué)強度（見表1[1]，表2[2]）。

2 模型制作與加載

2.1 巨型框架結(jié)構(gòu)

2.1.1 巨型框架結(jié)構(gòu)特征及模型設(shè)計

巨型框架是由大型構(gòu)件巨型柱、巨型梁等組成的主結(jié)構(gòu)與由常規(guī)梁、柱構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作的結(jié)構(gòu)體系。

這種結(jié)構(gòu)的受力特性為：主框架承受水平荷載產(chǎn)生的水平剪力與傾覆力矩以及豎向荷載，次框架承受豎向荷載并將其傳遞給主框架。因此巨型框架具有很大的抗側(cè)移剛度和抗傾覆能力，巨型梁具有很大的抗彎剛度和抗剪能力，使其側(cè)向位移較常規(guī)體系大大減少。

巨型框架結(jié)構(gòu)的模型尺寸數(shù)據(jù)見圖1。

2.1.2 加載設(shè)計

豎向靜荷載實驗通過將模型固定于地面后，依次在模型頂面增加鋼片，記錄模型能夠承受的鋼片重量來得到模型所承受的荷載值。實驗最終，模型承受了18片鋼片（約306N）。

水平動載實驗同樣首先將模型固定于地面，在模型頂面放上5片鋼片，另外，通過使用不同重量的擺球的撞擊來檢驗?zāi)Ｐ统惺芩胶奢d的能力，實驗圖見圖2。最終，在4.1kg擺錘自600mm處自由下擺，擺錘直徑為100mm（動量約為14.78kg·m/s）的情況下，模型受到了破壞。

2.2 橋梁模型（空間桁架結(jié)構(gòu)）

2.2.1 空間桁架結(jié)構(gòu)特征及模型設(shè)計

空間桁架通常運用一個多向間距，是由張力桿和壓力桿組成的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)處在三度空間的受力狀態(tài)下，這種結(jié)構(gòu)能承受來自各個方向的載荷，對抗震大垮距的建筑物更能發(fā)揮功用。

這種結(jié)構(gòu)的受力特點為：桿件主要傳遞拉壓力，通過節(jié)點連接使其整體受力性能良好。因此此結(jié)構(gòu)自重較輕，受力性能好，可以達到大跨的要求。同時結(jié)構(gòu)由統(tǒng)一規(guī)格小桿件構(gòu)成，截面形式多樣，結(jié)構(gòu)整體外觀較為美觀。

橋梁模型的尺寸數(shù)據(jù)見圖3。

2.2.2 加載設(shè)計

將橋面兩端固定好，并在橋面模擬出一個可滑動的路面，依次累計放上鐵片，通過拉動鐵片經(jīng)過橋面，看其能承受多少鐵片為依據(jù)來判斷此模型的承受動載的能力。最終12塊鐵片（約204N）時，橋面模型被破壞。實驗過程見圖4。

2.3 屋頂模型（平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）

2.3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征及模型設(shè)計

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種空間桿系結(jié)構(gòu)，受力桿件通過節(jié)點按一定規(guī)律連接起來。節(jié)點一般設(shè)計成鉸接，桿件主要承受軸力作用，桿件截面尺寸相對較小。

荷載作用于各節(jié)點上，桿件主要承受軸力;各桿件互為支撐，形成多項受力的空間結(jié)構(gòu);為高次超靜定結(jié)構(gòu);桿件規(guī)格統(tǒng)一;適應(yīng)不同跨度、不同支承條件、不同建筑平面要求。

屋頂模型尺寸數(shù)據(jù)詳見圖5。

2.3.2 加載設(shè)計

將模型固定于地面，通過在模型頂面依次放鐵片，通過模型的破壞程度來判斷此模型所承受豎向荷載的能力。最終，當(dāng)施放了9片鐵片（約143N）時，模型被破壞。實驗過程見圖6。

3 實驗結(jié)果與分析

利用白卡紙分別制作巨型框架、橋梁模型和屋頂結(jié)構(gòu)這三種類型，通過加載分析其受力特點和不同點。最終通過加載試驗，結(jié)合白卡紙受力特性分析出同種材料不同結(jié)構(gòu)的受力特性并進行對比：通過施加豎向靜荷載和水平動荷載。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 模型受荷情況

（1）巨型框架：主框架（角鋼截面）承受水平荷載產(chǎn)生的水平剪力與傾覆力矩以及豎向荷載，次框架（梁：箱型截面;柱：三角形截面）承受豎向荷載并將其傳遞給主框架。

結(jié)構(gòu)破壞：模型受到水平?jīng)_擊時，整體結(jié)構(gòu)受到較大的扭矩與剪力，由于紙材料柔度大可卸掉部分沖擊力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生的側(cè)移較小。又因為節(jié)點連接較弱，在受到水平?jīng)_擊的過程中節(jié)點破壞斷開。

通過以上試驗數(shù)據(jù)可以得出：巨型框架具有很大的抗側(cè)移剛度和抗傾覆能力，巨型梁具有很大的抗彎剛度和抗剪能力，使其側(cè)向位移較常規(guī)體系大大減少。

（2）橋梁模型（空間桁架結(jié)構(gòu)）：將卷裹的小紙球充當(dāng)球鉸，使各個桿件能夠通過膠水牢固連接，滿足構(gòu)造與受力要求。桿件主要傳遞拉壓力，通過節(jié)點連接使其整體受力性能良好。

結(jié)構(gòu)破壞：底部側(cè)邊支撐由于承載過大發(fā)生彎曲變形導(dǎo)致承載不均勻最終側(cè)翻結(jié)構(gòu)桿件發(fā)生彎曲斷裂。

（3）屋蓋結(jié)構(gòu)（平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）：主體結(jié)構(gòu)采用的是平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的特點如下：荷載作用于各節(jié)點上，桿件主要承受軸力，各桿件互為支撐，形成多項受力的空間結(jié)構(gòu)，形成高次超靜定結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)破壞：部分承壓桿件承載力不足發(fā)生脆斷，引起整體結(jié)構(gòu)發(fā)生垮塌。

各類模型豎向承受荷載能力不同，其原因有以下幾點：結(jié)構(gòu)選型不同，用料量不同，節(jié)點處理連接不同，橫截面選型，用處不同。

4 結(jié)論

4.1 巨型框架結(jié)構(gòu)

巨型框架結(jié)構(gòu)本身具有良好的承受水平荷載、豎向荷載以及傾覆的能力。用白卡紙制作的巨型框架，在承受豎向荷載方面表現(xiàn)良好，在抗剪抗傾覆方面由于白卡紙力學(xué)使其特性表現(xiàn)一般。可通過設(shè)置側(cè)向支撐增加抗剪抗傾覆的能力。

4.2 空間桁架結(jié)構(gòu)

空間桁架結(jié)構(gòu)主要通過桿件承受拉力。由于白卡紙的抗力性能很好，所以在試驗結(jié)果表現(xiàn)良好。該結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在節(jié)點交匯處，所以可以通過增加連接點強度提高承載能力。

4.3 平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要通過各個桿件承受荷載，各桿件相互支撐形成高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高。隨著荷載增加，部分桿件承載力不足發(fā)生脆斷，引起整體結(jié)構(gòu)發(fā)生垮塌。所以可通過處理各部分桿件以及連接形式提升承載能力。

不同的結(jié)構(gòu)形式有不一樣的受力特點，因此合理的選擇結(jié)構(gòu)形式可以大大的提高建筑的承載能力。

參考文獻：

[1]趙陽，郭菲，王東，等.以白卡紙為主要材料的結(jié)構(gòu)競賽的設(shè)計原理[J].山西建筑，2018，44（8）：243-244.

[2]方明偉，王丹，殷玲，等.承受分層豎向荷載及單向水平荷載的巴西卡紙結(jié)構(gòu)模型的研究[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報，2016，24（6）：67-77.