結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的模型設(shè)計(jì)

曾恒林 呂煒杰 林潔怡 徐也 陳煥豪

摘 要：以全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的模型制作為例，在對(duì)竹皮、竹條加工制作模型過(guò)程中，材料選擇、手工制作及整體結(jié)構(gòu)的受力體系直接關(guān)系到模型加載。以模型的加載數(shù)據(jù)、賽后進(jìn)行強(qiáng)行破壞的破壞形式及其結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究，解決模型制作過(guò)程中在材料選擇、構(gòu)件優(yōu)化及不同工況下如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：模型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)件優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）01-0106-03

0 引言

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是對(duì)工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件采用加載或其他方式進(jìn)行試驗(yàn)，其關(guān)系到結(jié)構(gòu)使用后的安全性，用以核對(duì)其設(shè)計(jì)要求或檢驗(yàn)其是否安全可靠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的制作又是一大問(wèn)題之一，破壞形式、破壞原因以及結(jié)構(gòu)整體性在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中起著決定性作用。

1 材料性能

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽竹皮材料主要有0.2 mm、0.35 mm及0.5 mm三種規(guī)格，查閱有關(guān)竹皮材料性能的材料總結(jié)以下3點(diǎn)[1]。

1.1 極限承載力與試件寬度的關(guān)系

在長(zhǎng)度、厚度相同條件下，竹皮試件的極限承載力隨寬度的增加而增大，呈線性相關(guān)。0.35 mm厚度試件增長(zhǎng)趨勢(shì)較穩(wěn)定，承載力具有較強(qiáng)的上升空間，而0.2 mm和0.5 mm承載力上升空間不佳。這是由于厚度為0.35 mm竹皮材料的節(jié)點(diǎn)缺陷相對(duì)較少，而0.5 mm竹皮材料因?yàn)椴牧瞎?jié)點(diǎn)缺陷相對(duì)較多，致使寬度增加到一定值，承載能力達(dá)到極限狀態(tài)。

1.2 極限承載力與試件長(zhǎng)度的關(guān)系

竹皮材料在厚度和寬度相同的條件下，試件長(zhǎng)度越長(zhǎng)，極限荷載值越小。

1.3 ?極限承載力與竹皮材料厚度的關(guān)系

竹皮試件在長(zhǎng)度、寬度相同條件下，極限承載力隨著厚度增加而增大，同時(shí)，其增長(zhǎng)的幅度呈上升趨勢(shì)[2]。

2模型制作

2.1 模型主要破壞形式

2.1.1 失穩(wěn)破壞

桿件開(kāi)裂致使失穩(wěn)破壞。竹皮之間粘連的位置處因受較大的偏心軸力、扭矩或者多重不利荷載組合作用下，發(fā)生開(kāi)裂的情況。

2.1.2 扭轉(zhuǎn)破壞

承載力小于荷載產(chǎn)生內(nèi)力將致使桿件扭轉(zhuǎn)破壞。模型受較大扭轉(zhuǎn)荷載，產(chǎn)生的荷載大于桿件的極限承載力，也因桿件制作時(shí)由于手工差異，與計(jì)算結(jié)果不符，導(dǎo)致竹皮內(nèi)陷，整體失穩(wěn)。

2.1.3 拉帶（竹皮）斷裂破壞

拉帶（竹皮）斷裂導(dǎo)致模型承載力不足而被破壞。拉帶（竹皮）的極限承載力小于所受的拉應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂引起整個(gè)模型受力發(fā)生較大改變，所受荷載傳遞至其他薄弱位置。

桿件承載力不足致使主要承重構(gòu)件破壞。主要受力構(gòu)件如梁、柱位置發(fā)生破壞，大概率是由于受力分析出現(xiàn)問(wèn)題，主要受力構(gòu)件其極限承載力未滿足其所受荷載工況以及未滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則，梁為荷載受力點(diǎn)，更多的破壞地為柱。

2.1.4 節(jié)點(diǎn)破壞

未遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”將致使模型節(jié)點(diǎn)破壞。節(jié)點(diǎn)處理為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的痛點(diǎn)之一，以第十五屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽（如圖1所示）為例，挑檐梁受力可等效為懸臂梁（如圖2所示），位置的節(jié)點(diǎn)處所受彎矩（如圖3所示）及剪力（如圖4所示）最大，節(jié)點(diǎn)處理是模型結(jié)構(gòu)制作的重點(diǎn)。

2.1.5 柱腳破壞

柱腳破壞將致使整體模型失穩(wěn)破壞。柱腳在實(shí)際工程中類似于基礎(chǔ)部分，起著整個(gè)模型是否能夠完成完整加載過(guò)程的決定性因素；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽及校內(nèi)選拔賽中，有大部分模型不重視柱腳的制作，采用單層0.5 mm的竹皮進(jìn)行固定，致使在受模型單側(cè)荷載工況時(shí)，各柱腳產(chǎn)生了受拉及受壓不同的受力情況，導(dǎo)致柱腳破壞，模型一邊倒而破壞。

2.2 模型優(yōu)化

模型制作主要分為桿件制作及節(jié)點(diǎn)處理兩方面。通過(guò)不同的破壞試驗(yàn)，對(duì)桿件優(yōu)化及節(jié)點(diǎn)處理進(jìn)行研究，并提出以下的方法[3]。

2.2.1 腹中插片法

該優(yōu)化方法可針對(duì)桿件破壞形式中的兩種情況，該方法通過(guò)先粘結(jié)三面竹皮，再根據(jù)腹中的寬度、高度，裁剪出貼合該部位的方塊，該片段可采用0.5 mm的竹皮或者6 mm×1 mm規(guī)格的竹條，在所需位置處腹中加入小竹片后，進(jìn)行最后一面的粘貼。

該方法可以加強(qiáng)桿件四面竹皮的整體性，減少竹皮開(kāi)裂而導(dǎo)致承載力下降的可能性，不足之處是制作流程繁瑣、小竹片的裁剪困難，如果裁剪出現(xiàn)誤差時(shí)容易導(dǎo)致四面粘合不均勻或者第四面無(wú)法貼合?？衫檬芰Ψ治鲕浖?，受力較大位置即薄弱位置進(jìn)行插片即可。

2.2.2 竹皮圍合約束法

該方法與腹中原理類似，但其對(duì)破壞形式更有效，且制作工藝更簡(jiǎn)便。其用0.2 mm的竹皮，裁剪10 cm長(zhǎng)，2 mm寬的長(zhǎng)條竹皮，對(duì)所需加固位置，進(jìn)行纏繞滴膠水即可。其加固位置主要集中在受彎矩較大的中間處。該方法還可用于，節(jié)點(diǎn)位置處存在多重竹皮拉帶搭接情況，需注意竹皮必須與四面貼合，不能存在鏤空現(xiàn)象。

2.2.3 拉條的選擇及使用

0.35 mm的竹皮材料的“性價(jià)比”相對(duì)于其他兩種材料更高，可充分利用0.35 ?mm竹皮材料，對(duì)于受力較大位置可采用內(nèi)外雙重保障，寬度采用5～8 mm最為合適。

除竹皮之外，還可使用竹條；不同大小內(nèi)力可將竹條削至所能承受的截面尺寸然后進(jìn)行粘合。除此之外，拉條的粘合，可將其貫穿支柱中并利用竹粉澆筑，將所受荷載傳遞至只要承重構(gòu)件，并能夠保證模型整體性，避免竹條接觸面過(guò)小而節(jié)點(diǎn)破壞的情況發(fā)生[4]。

2.2.4 節(jié)點(diǎn)位置處理

最傳統(tǒng)的做法是通過(guò)竹材磨出的竹皮進(jìn)行澆筑，使其形成整體。還裁剪0.2 mm適當(dāng)尺寸的竹皮，將節(jié)點(diǎn)位置處兩根桿件進(jìn)行粘合，避免兩根桿件之間的側(cè)向位移[5]。

2.2.5 柱腳制作

在各軟件受力分析過(guò)程中，都將柱腳設(shè)定為固定約束，因此模型能否最貼切計(jì)算書的承載能力，得確保支座的穩(wěn)定性?？赏ㄟ^(guò)0.2 mm的竹皮材料裁剪兩條5 mm、寬度10 cm長(zhǎng)度的長(zhǎng)竹皮，利用3 mm×3 mm的竹條作為定位，將長(zhǎng)竹皮通過(guò)竹條為孔邊卷邊使用膠水粘合，最后取出竹條獲得一個(gè)中間小孔的圓柱體；再利用相同規(guī)格的長(zhǎng)竹皮，先將一邊利用膠水粘合在柱腳位置，再繞圈包裹圓柱體，邊繞邊使用膠水粘合，最終成型。

2.3 模型結(jié)構(gòu)形式

一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模型，可以做到“造價(jià)最低，受力性能最好”，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、安全性的各項(xiàng)要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中亦是如此，一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)體系，可以做到最輕的質(zhì)量承受最大的受力工況，從而在比賽中獲得較好的成績(jī)。而結(jié)構(gòu)競(jìng)賽所使用的材料為竹材，其抗拉性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于抗壓、抗剪性能，故拉條的充分使用即可減少大多數(shù)不必要的桿件，充分地將荷載以拉力的形式通過(guò)拉帶傳遞至受力桿件[6]。

2.3.1受扭作用下的試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5、圖6所示?？梢缘贸鲆韵聝牲c(diǎn)結(jié)論。

第一，未加側(cè)向拉帶地加側(cè)向荷載2 kN后，柱子發(fā)生扭轉(zhuǎn)邊變形失穩(wěn)破壞。

第二，加側(cè)向拉帶后，加5 kN后，拉帶節(jié)點(diǎn)處斷裂，依舊出現(xiàn)柱子扭轉(zhuǎn)破壞的情況。試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)處理不佳，但其承載力依舊增加了兩倍之多，可見(jiàn)在受扭過(guò)程中，拉帶能夠起到傳遞內(nèi)力的作用，如圖6所示。

2.3.2彎矩作用下的試驗(yàn)結(jié)果

第一，未使用拉帶的挑檐梁在承重3 kN后破壞，節(jié)點(diǎn)拉裂，最后整個(gè)挑檐梁壓斷（如圖7、8所示）。

第二，使用拉帶的挑檐梁（如圖9所示）在承重5kN后，柱子中間出現(xiàn)了較大撓度，在加至6 kN后拉帶斷裂后，挑檐梁節(jié)點(diǎn)瞬間壓斷（如圖10所示），可見(jiàn)在承重構(gòu)件承載力足夠的情況下，挑檐梁的極限承載力提升了整整的兩倍。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)查閱相關(guān)資料及對(duì)結(jié)構(gòu)模型的制作、加載，觀察其破壞特征，為后續(xù)參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽選手提供以下兩條的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

第一，根據(jù)材料的性能不同，針對(duì)不同受力情況選用不同的材料，確保用最少的材料制作出最好的模型，如拉條可采用0.35 mm的竹皮材料、插片可采用0.5 mm竹皮材料、圍合約束可采用0.2 mm的竹皮材料。

第二，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型在加載過(guò)程中的破壞特征總結(jié)出各種解決方案以及全國(guó)大學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽中模型制作時(shí)，對(duì)竹材抗拉的優(yōu)點(diǎn)的分析，體現(xiàn)拉帶的重要性，多使用拉條、拉帶來(lái)得到“高強(qiáng)輕質(zhì)”的效果。

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