結構模型破壞問題及分析

解建超　朱江南

[摘要]通過對大量模型加載試驗的觀察、分析和研究,結合鋼結構、混凝土結構等專業知識,總結紙質結構模型常見破壞形式,并對其產生原因進行分析,提出解決方案。

[關鍵詞]模型 構件 破壞形式 解決方案

中圖分類號:TU3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920110-01

在我們生活中有各式各樣的結構,基礎設施中經常看到的有混凝土結構、鋼結構、鋼筋混凝土結構、鋼混組合結構等,這些結構的破壞原因主要為強度不足、失穩、疲勞破壞等。同樣,在結構模型比賽中,模型的破壞形式各式各樣,但是當我們對這些破壞形式進行總結時會發現,引發破壞的原因與實際的結構相類似。下面總結了結構模型破壞的幾種常見形式。

一個模型的構件主要有連接件、軸心受壓構件、偏心受壓構件、受彎構件、拉彎壓彎構件。

一、軸心受力構件的破壞方式

為了了解軸心受力構件的力學性能做了桿件壓縮試驗,壓縮試驗是在常溫、空氣干燥下受到一次單向均勻壓縮,在萬能試驗機上進行,由零緩慢加荷直到試件破壞。在電腦上自動生成了應力變形曲線。

由試驗曲線可以得到有用的力學性能指標:抗壓強度、彈性模量。影響模型構件性能的因素較多,主要是紙的化學成分的影響、制作過程不同的影響、環境溫度濕度的影響。

經試驗和理論分析研究,軸心受壓構件受力后的破壞方式有兩類。1.短而粗的受力構件主要是強度破壞。當其某一截面上的平均應力達到控制應力如極限強度,就認為構件已達到承載能力極限狀態。2.長而細的軸心受力構件主要是失去整體穩定性而破壞,當截面上的平均應力還遠低于紙的極限強度時,常由于其內力和外力間不能保持平衡的穩定性,某些微擾動(比如加載時引起的對結構的擾動)就足以使構件產生很大的彎曲變形,或扭轉變形或又彎又扭而喪失承載能力,這現象就成為整體穩定性,或稱屈曲。3.對于用薄紙板做成類似于鋼結構中的H形軸心受壓構件,當壓力大到一定程度時,在構件尚未喪失穩定性以前,個別板件可能先不能保持其平面平衡狀態,而發生波形凸曲,喪失了穩定性,造成局部失穩。

解決方法:

對于粗而短的受壓構件可通過增大截面面積提高其承載力。

對于長而細的受壓構件可通過減小桿件的柔度提高其承載力。

對于薄壁構件,要防止其失穩可通過增加壁厚和增加各種形式的加勁肋提高局部穩定性。

二、紙帶作受拉構件時的撕裂

紙帶作為受拉構件時,會因為強度不夠、粘結不牢、還未吹干、不能做到全截面均勻受拉,產生破壞。

解決方法:根據紙帶所要承受的力確定紙帶的寬度和層數,盡量把紙帶拉平順,膠水用量適中、涂抹均勻,與其他桿件連接處要加固,加載時截面應均勻受拉。桿件干燥情況下比潮濕時承載力高。

三、結點應力集中,強度不夠而破壞

結點包括柱與柱的結點,柱與梁的結點,柱與繩子或紙袋的結點,梁與繩子或紙袋的節點等,這些結點因為局部應力較大而易破壞。在鋼結構中,桿件連接主要通過連接件的連接,分為焊縫連接和緊固件連接(現在常用螺栓),節點處強度要高于桿件強度。在紙質模型結構中,節點也有緊固件連接和膠水粘結。破壞形式主要有連接件強度不夠、粘結強度不夠、桿件接觸端因應力集中破壞。

解決方法:針對上述破壞原因,桿與桿或繩子、紙帶結點處應局部加強。例如,在桿件中加塞子,紙帶與桿接觸處需再加兩層紙條局部加固,考慮到節省材料減輕自重,只需短短的一段即可。

四、結構變形過大導致破壞或失效

在實際結構中都有變形的允許值,當其變形過大會影響建筑物的繼續使用,此時即認為達到承載能力極限。例如鐵路橋梁的撓度很大時則極易造成鐵路出軌。某些情況下結構因變形過大而改變受力狀態,導致整個結構破壞。同樣某些結構模型比賽中也會有變形的限制和因過大變形導致結構破壞。過大的變形有下列三種情況

情況一:當桿件在垂直于主軸的橫向力作用下,桿件內變矩較大,當同時承受軸壓力時,即為壓彎構件。桿件橫向繞曲變形明顯,且變形在荷載不變情況下隨時間積累,最終變形過大破壞或超過允許值被視為失效。

解決辦法:加強桿端約束或增加中間支撐。

情況二:在結構荷載不斷加大,隨結構變形加大,剛結點存在會使桿件偏心受壓,使桿件中產生彎矩,此時軸心受壓桿件變成壓彎桿件。且彎矩隨荷載加大而變大,最終因橫向彎曲變形過大而破壞。

解決辦法:避免剛結點產生變矩。1.可將剛結點改為可動鉸;2.將結構整體剛度加大,如加厚紙帶等。

情況三:繩子作為受拉桿件產生較大的拉長變形,當用作類似于懸索橋或斜拉橋中的拉索時,因繩子的彈性模量很小而產生很大的變形,引起結構整體變形較大而不能再滿足變形要求或者承載力下降。

解決方法:加粗繩子,不要以強度來決定繩子根數而應該以變形控制繩子所需根數。

五、結構整體的失穩

結構在主要受力構件均工作良好情況下,結構發生整體扭轉或向一邊傾倒,導致不能繼續承重。有些同學做出的結構本身就是一個機動體系,所以不能承受荷載。

解決辦法:根據失穩的原因,加強結構的約束或改變結構形式,限制其某一個或幾個方向的失穩。

六、結構工藝粗糙

做工粗糙會引起結構的尺寸設計偏差較大,應對稱的結構卻不對稱,導致受力不均,結構易失穩而破壞。

解決辦法:提高制作工藝,加強工具裝備,制作時一定要細心認真,細節不容忽視。

七、總結

結構模型的破壞與生活中建筑結構的破壞有類似的地方,所以我們當遇到結構破壞時,可以看看那些鋼結構或混凝土結構建筑是怎樣處理的,然后在此基礎上有突破有創新的解決問題。同樣結構模型中的創新也可以應用到建筑結構中去。

作者簡介:

解建超(1987-),男,漢族,河北省河間市人,中南大學土木建筑學院本科在讀;朱江南(1985-),男,漢族,湖南省望城縣人,中南大學土木建筑學院本科在讀。