白卡紙結構模型力學探究

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、平板網架等結構模型，進行動靜載的承載破壞試驗，分析不同結構體系的力學性能。探究表明：格構式結構體系的力學性能，格構式選型承載力大大提高。材料力學性能不夠理想的白卡紙在賦予其良好的結構體系時，也表現了優良的承載能力。

關鍵詞：白卡紙;結構模型;承載破壞實驗;力學性能

中圖分類號：TU318? ? ? ? ?文獻標志碼：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、大跨度橋梁的發展和廣泛應用，對于結構的承載力、穩定性、抗震等性能要求越來越高，因此結構體系的合理選擇至關重要。為探討不同結構體系的承載能力，本實驗打破以竹皮為材料的常規，選用白卡紙進行不同結構模型的制作。

目前對白卡紙的力學性能研究較少，并且與竹皮相比，它具有輕質、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試驗，對不同結構體系的力學性能進行探究。

1 白卡紙的力學性能

經查閱文獻可得白卡紙的力學參數和力學強度（見表1[1]，表2[2]）。

2 模型制作與加載

2.1 巨型框架結構

2.1.1 巨型框架結構特征及模型設計

巨型框架是由大型構件巨型柱、巨型梁等組成的主結構與由常規梁、柱構件組成的次結構共同工作的結構體系。

這種結構的受力特性為：主框架承受水平荷載產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，使其側向位移較常規體系大大減少。

巨型框架結構的模型尺寸數據見圖1。

2.1.2 加載設計

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模型承受水平荷載的能力，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（空間桁架結構）

2.2.1 空間桁架結構特征及模型設計

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構，結構處在三度空間的受力狀態下，這種結構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揮功用。

這種結構的受力特點為：桿件主要傳遞拉壓力，通過節點連接使其整體受力性能良好。因此此結構自重較輕，受力性能好，可以達到大跨的要求。同時結構由統一規格小桿件構成，截面形式多樣，結構整體外觀較為美觀。

橋梁模型的尺寸數據見圖3。

2.2.2 加載設計

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，通過拉動鐵片經過橋面，看其能承受多少鐵片為依據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（平面網架結構）

2.3.1 網架結構特征及模型設計

網架結構是一種空間桿系結構，受力桿件通過節點按一定規律連接起來。節點一般設計成鉸接，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構;為高次超靜定結構;桿件規格統一;適應不同跨度、不同支承條件、不同建筑平面要求。

屋頂模型尺寸數據詳見圖5。

2.3.2 加載設計

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、橋梁模型和屋頂結構這三種類型，通過加載分析其受力特點和不同點。最終通過加載試驗，結合白卡紙受力特性分析出同種材料不同結構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。詳細數據見表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。

結構破壞：模型受到水平沖擊時，整體結構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，使結構發生的側移較小。又因為節點連接較弱，在受到水平沖擊的過程中節點破壞斷開。

通過以上試驗數據可以得出：巨型框架具有很大的抗側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，使其側向位移較常規體系大大減少。

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

結構破壞：底部側邊支撐由于承載過大發生彎曲變形導致承載不均勻最終側翻結構桿件發生彎曲斷裂。

（3）屋蓋結構（平面網架結構）：主體結構采用的是平面網架結構，其結構的特點如下：荷載作用于各節點上，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構，形成高次超靜定結構。

結構破壞：部分承壓桿件承載力不足發生脆斷，引起整體結構發生垮塌。

各類模型豎向承受荷載能力不同，其原因有以下幾點：結構選型不同，用料量不同，節點處理連接不同，橫截面選型，用處不同。

4 結論

4.1 巨型框架結構

巨型框架結構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良好，在抗剪抗傾覆方面由于白卡紙力學使其特性表現一般。可通過設置側向支撐增加抗剪抗傾覆的能力。

4.2 空間桁架結構

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

4.3 平面網架結構

平面網架結構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構，結構穩定性較高。隨著荷載增加，部分桿件承載力不足發生脆斷，引起整體結構發生垮塌。所以可通過處理各部分桿件以及連接形式提升承載能力。

不同的結構形式有不一樣的受力特點，因此合理的選擇結構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構競賽的設計原理[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構模型的研究[J].呼倫貝爾學院學報，2016，24（6）：67-77.