大學生結構設計競賽模型結點處理淺析

耿琳?張宇?李明澤

摘 要：近年來，隨著各種省級和國家級結構設計競賽的開展，各地區各個高校積極組織，認真備賽。結構競賽模型桿件制作材料有白卡紙、竹制材料和木質材料等，針對不同的材料在結點的處理各有不同。本文介紹了結構設計競賽所用的白卡紙和竹制材料的結點處理方法，并得出了一些實用的結論，希望對今后的結構設計競賽中結點處理有所幫助。

關鍵詞：結構設計競賽；桿件；結點

結構設計競賽是一項極富創造性、挑戰性的科技競賽。它旨在通過學生對所學知識的綜合運用，提高動手能力與思維能力，突出創新精神，加強學生之間的合作與交流，培養團隊精神，豐富學生的課余生活。通過結構設計競賽可以很好地將課堂理論與實際工程緊密結合起來，培養大學生的設計與計算能力。本文結合沈陽建筑大學校內舉行的結構設計競賽選拔賽介紹白卡紙和竹制材料的結點處理，為學生設計和加工結構模型提供參考。

結點處理：

結點處的受力較為復雜，是結構中的薄弱環節。實際工程中，一般要求框架結構結點的強度大于梁柱結構，模型制作也不例外，尤其是受拉結點。結點設計的基本原則是：主要受力結構在結點處保持連續不截斷，次要的構件與重要構件保證連接可靠。

1 白卡紙

白卡紙極容易受潮，空氣濕度大時，其強度明顯降低，且施加荷載后變形不穩定。一張白卡紙是由三層不同的紙經過膠合形成的，模型制作時，在賽題允許對紙張加工的情況下，可以進行適當的揭層處理，在保證強度的同時，減輕模型的自重。紙張具有良好的抗拉性能，在模型制作中，如果能利用好紙的這一特性，往往具有巧奪天工之妙。

1.受拉結點

即該結點處至少有一根以上的桿件受拉應力，受拉結點是模型試驗中破壞最為常見的部位，應引起足夠重視。在設計時，對于一般的結點可采用以下方法：

（1）“整體彎折法”，即將受拉的桿件在連接處整體彎折而不截斷，然后采用蠟線綁扎或者用紙條固定，或者在預留出足夠粘結接觸表面后截斷。其優點是可以節省材料用量，做工方便，結點抗拉效果好。

（2）“構件連接器法”，即在連接處內襯一根小直徑短桿或外套一根大直徑短桿，形成構件連接器，亦可使用結點板。

（3）“抓握法”即將受拉的桿件的一段預留一定長度，對于圓形桿件將其一段剪成十字花形，然后將其粘結在另一根桿件上。（如圖1所示）

（4）“留槎法”即將桿件的一段用工具磨成和它相連桿件的外表面的形狀像契合的形狀，使得兩個桿件可以緊密連接。然后在外表面用紙張將結點包好。（如圖2所示）

2.受壓結點

結構構件一般具有足夠的強度，在保證穩定性的前提下，其受壓性能一般完全能滿足受力需要。受壓結點較受拉結點來說，抵抗破壞的能力也較好。在制作時，受壓結點基本要領：保證結點處各桿件軸線處于同一平面內，且受壓接觸面務必充分接觸。在設計時，對于一般的結點可采用的方法有“構件連接器法”和“留槎法”等。

2 竹制材料

竹制材料一般和可以在空氣中微量水催化下發生加聚反應，迅速固化而將被粘物粘牢的膠水一起使用。每張竹皮紙都有一定紋路方向且方向單一，模型制作時，在賽題允許對紙張加工的條件下，對于不同受力情況下的結構構件制作要順著紋路方向或垂直紋路方向進行裁剪，在保證強度的同時，減輕模型的自重，竹皮紙具有良好的抗拉性能，采用竹制材料做出來的構件也有很好的抗壓性能，且有較好的韌性。

1.交叉結點

交叉結點在立體結構中較為常見，如高層建筑模型等，在橋梁結構中，一般為橋面設計中的縱橫交叉。在制作時，需要制作者進行不斷嘗試，尋求較合適的連接方法。以矩形截面為例，一般在接觸點分別開出槽口，然后將二者充分咬合連接。而槽口的開挖方法有多種形式，需根據實際選用。一些具體處理方法可參考如下：

（1）“貼薄片法”即在結點處只需要加一塊薄片。其優點有：可以控制結點剛度，使得模型整體剛度增加，操作簡單，在提高結點強度和模型整體剛度的同時，模型自重的增加卻很小，貼薄片適合用于大多數情況。其缺點有：當結點受力較大的時候，模型可能會由于貼片處結點損壞而導致整體破壞。

（2）“加楔法”即在結點處的各個桿件之間加上楔子。其優點有：增大連接點之間的接觸面積，使得相接于一點的各桿件之間的粘結更為牢固，能很好的控制各桿件在結點處的位移，從而控制了撓度。其缺點有：加工各種尺寸的小楔子費工又費力，相對于貼薄片法，加楔法不能很好控制結點處的剛度和模型的總體剛度。建議在受力較大的結點處，將加楔法與貼薄片法一起使用。

（3）“交錯粘貼法”采用兩構件表面重疊粘結的方法，即將結點處使用的竹片交錯粘貼。其優點有：通過增大兩桿件的有效接觸面積消除結點過小的各種不利因素，提高構件間的穩定和剛度要求，此種做法有效地將各桿件連接在一起，將結點轉變成結構本身的一部分。其缺點有：此種做法限制了桿件的角度，需要經過確切計算方可達到理想效果，另外因為是重疊粘接無形中增加了相應桿件的長度，對用料方面會有所增加。

（4）“拉竹條法”即利用竹條良好的韌性和強度將位于結構同一平面內的結點用竹條交叉粘結。其優點有：這種做法的好處是竹條質量輕，可將此結點處的荷載傳遞到其他處，大大減少了結點處的危險荷載。其缺點有：竹條只可傳遞拉力，可用于受拉力作用下，其他荷載作用形勢下效果就不是很好了。

結構模型設計和制作中結點的處理起著至關重要的作用，進行結構模型制作時必須針對不同受力情況的結點采用不同的制作方法，良好的結點處理將使得制作出的結構模型具有輕質高強的特性。

參考文獻

[1] 錢曉倩，詹樹林.土木工程材料[M].杭州：浙江大學出版社，2003.