紙結構模型制作工藝與節點連接方式探究★

趙子涵 王欽亭* 楊 震 王 梓

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000)

紙結構模型制作工藝與節點連接方式探究★

趙子涵 王欽亭* 楊 震 王 梓

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000)

以“河南省第二屆結構設計競賽”命題為背景，對紙質桿件在制作與連接過程中所出現的問題進行了研究，并結合實際情況提出了相應的優化對策，以促進不同條件下紙模型制作工藝的發展。

紙結構模型，制作方法，桿件連接，荷重比，結構優化

0 引言

大學生結構設計類相關競賽是面向土木工程專業學生所舉辦的科技創新類競賽，因其與實際工程的緊密聯系同時能夠較好的培養學生結構創新意識、動手能力，而被譽為“大學生八大賽事”之一。木材、紙張以其環保、廉價易得、承載強度高等優點而成為比賽的主要選材[1]。對于紙質材料，遇水及膠后易收縮變形從而影響其強度、承載能力以及美觀性。除此之外，桿件的連接方式會直接影響結構的整體穩定和荷重比。

現有文獻多側重于紙結構的截面選型以及承載能力，王志剛做了有關紙質材料在靜態荷載作用下的力學性能探究[2]，秦武等研究了紙質材料承載力受紋路、寬度、厚度、濕度影響[3]。文獻中對桿件的制作方法以及節點連接方式涉及較少。

本文以“河南省第二屆結構設計大賽”為背景，并且結合實際的制作經驗，對整個在制作過程中遇到的問題做出了一定的探究。

1 比賽命題分析

本次競賽要求使用白卡紙(保定產175 g/m2～186 g/m2)和白乳膠(頂立牌)制作出一個房屋結構模型，要求屋面外輪廓的投影面積能夠覆蓋內部容納的600 mm×400 mm×250 mm的試塊。模型加載時采取結構頂部中心加載，加載板尺寸為300 mm×200 mm，加載上限為30 kg。

考慮結構的整體美觀與荷重比，經過前期的結構設計、理論分析、模型制作，從最初的幾種方案中選出優化空間較大的設計方案并進行后期的模型優化(見圖1)。

2 桿件制作工藝的評價指標

作為結構模型的重要組成部分，紙質桿件的重量大小、制作工藝以及連接方式將直接影響結構整體的荷重比及整體美觀[4]。對于制作工藝相關的評價指標，目前還沒有明確的定義。但在實際制作過程中，由于操作不當可能會出現如下缺陷：

1)桿件卷的不密實且在風干后會出現氣泡；

2)桿件風干之后發生收縮彎曲(見圖2)；

3)桿件在制作過程中發生紙張的褶皺(見圖3)；

4)桿件制作完成后表面不整潔、較臟；

5)桿件制作成功率較低。

在不影響結構整體美觀以及其受力性能的前提下，對于紙質桿件而言，好的制作工藝就是：制作花費時間少，成功率高，在制作完成后桿件內部密實，表面整潔且在風干后不發生彎曲變形。

3 桿件制作工藝實際探究

市場上的該種紙大致可分為兩種類型：一種單位面積質量小于180 g，這種紙吸水性強，吸水變形量大；另一種單位面積質量大于180 g，這種紙吸水性相對較弱且吸水后變形量小。在制作圓截面桿件時，前一種紙較后一種紙更易發生前面所述的現象。所以，在保證所做桿件符合各項要求的條件下，不同類型的紙采用不同的制作方法：

1)單位面積質量小于180 g。

此類材質偏軟，在卷桿過程中不會產生因紙張順逆紋而造成的褶皺現象，但是制作完成后，在風干的過程中表面水分蒸發速率的不同極易導致桿件彎曲，所以在卷桿工作完成后可以將桿件留在工具上待其風干后再取出。為提高制作成功率與制作質量此類桿件截面最好為多邊形(見圖4)。

2)單位面積質量大于180 g。

此類材質本身硬度高，若在卷桿時不注意紙質的順逆紋，很容易導致所卷桿件出現褶皺與空隙，從而影響其承載能力，故避免逆紋卷紙(可用彎曲紙張感覺阻力大小來判斷紋理走向)。實際制作時，此類桿件截面形狀以圓形為宜，且在紙張一邊用砂紙打磨提高粘結力。

卷桿時先將紙張起始處折起寬度為5 mm左右的紙邊，用硬卡片沿紙邊將其與卷桿工具緊密相貼，確定紙張與工具貼緊并無相對滑動后開始卷桿(此時先不涂膠，卷紙15次～20次使紙張產生紙痕以方便后期壓密)。涂抹過程中用膠要適量，涂抹要均勻全面，防止出現局部含膠量不均勻造成的2中1)，3)現象。制作完成后用紙片來回按壓紙桿提高內部密實度(見圖5)。

4 節點連接方式的探究

實際結構中，節點的受力較為復雜。在大量模型加載試驗中，結構破壞較多的地方就是桿件的連接處。就結構的荷重比以及整體美觀而言，節點處理的方式更顯重要。構件全部組裝完成后質量有較大的增加，經過分析，增加的質量主要集中在連接件和多余的紙帶上。

4.1 節點連接方式

就本次結構設計競賽而言，其加載上限僅為30 kg，因此模型結構在設計時采用的就是減少多余約束的個數，提高節點連接的強度。

構件節點連接時的方法大致分為以下三類：

1)通過連接件連接(見圖6)，這種連接方式適應桿件截面形狀的范圍廣且強度基本都能滿足受力要求，缺點是影響結構整體的美觀，質量較重；

2)構件自身經過一定處理后形成節點(見圖7)，這種連接方式滿足美觀要求的同時，質量(多余質量為涂膠和固定紙帶質量)最輕，但需要依照桿件截面的不同而做出不同的設計，對制作人員的創造力有一定要求；

3)根據桿件截面的形狀設計出相關的嵌入連接方案并且通過注膠提高節點強度(見圖8，圖9)，這種連接方式較美觀，但桿件連續彎折部分較大的接觸應力要求桿件壁厚不能太小，否則在接觸部位會發生接觸變形，這就在某種程度上增加了結構整體的質量。

本次結構模型設計競賽主要受力桿件截面形狀選定為圓形，連接方式采用嵌入注膠(見圖9)。

4.2 桿件連接的蒙皮工藝

紙張的受拉性能要強于其受壓性能，其所能承受拉力的大小

隨著紙帶橫截面積的增大而增大。當紙帶受拉時，往往會因為強度、粘結以及不均勻受拉問題產生破壞[5]。為滿足受力需要，往往需要增加紙帶的層數，而過厚的紙帶層數不但不利于紙帶與桿件之間的粘結，反而會因為含膠量的增加減弱其受力性能。以圖1所示結構模型為例，方案改進前受拉構件全部以紙帶連接，盡管后期承載力達到了要求，紙帶對桿件的剪力極易導致桿件的受剪以及紙帶自身的破壞(見圖10)，可將受拉紙帶改進為單層蒙皮(見圖11)。

采用蒙皮工藝不僅提升了結構整體的美觀，減輕了結構的整體質量，也在很大程度上增加了結構的整體穩定。與桿件較寬的接觸面積將原有的拉力均勻的分布在整個桿件之上，避免了桿件的受剪破壞。最終優化結構如圖11所示，總重143 g。

5 結語

通過總結分析參賽隊員在參加“河南省第二屆結構模型設計大賽”制作紙模型過程中所遇到的問題，得出了針對不同紙質條件下桿件的制作方法，與不同桿端截面下節點處理方式等關鍵問題的一些創新型做法，與此同時又引入了注膠與蒙皮這兩種能夠提高模型承載力與穩定度的制作方法。填補并發展了不同條件下紙模型制作工藝。

[1] 王立彬，李 靚.紙質構件力學性能實驗研究[J].力學與實踐，2010，32(6)：88-91.

[2] 王志剛，穆建春.紙質材料在靜態荷載作用下力學性能的實驗探究[J].廣西輕工業，2009，25(6)：25-26.

[3] 秦 武，鄭云霄.紙質材料力學實驗分析[J].南昌大學學報(理科版)，2007,31(5)：266-269.

[4] 于 洋，姜 峰.關于結構設計競賽中模型的設計與制作方法[J].科技資訊，2008(2)：201-202.

[5] 解建超，朱江南.結構模型破壞問題及分析[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★：河南省教育教學改革項目(項目編號：2012SJGLX117)；河南理工大學土木工程學院大學生創新性試驗項目資助

趙子涵(1993- )，男，學士； 王欽亭(1973- )，男，副教授； 楊 震(1993- )，男，學士； 王 梓(1993- )，男，學士

TU317.1

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