结构试验的模型设计

曾恒林 吕炜杰 林洁怡 徐也 陈焕豪

摘 要：以全国大学生结构设计竞赛的模型制作为例，在对竹皮、竹条加工制作模型过程中，材料选择、手工制作及整体结构的受力体系直接关系到模型加载。以模型的加载数据、赛后进行强行破坏的破坏形式及其结构受力进行研究，解决模型制作过程中在材料选择、构件优化及不同工况下如何进行结构设计等问题。

关键词：模型设计；结构设计竞赛；结构模型；构件优化

中图分类号：TU5                                   文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）01-0106-03

0 引言

结构试验是对工程结构或构件采用加载或其他方式进行试验，其关系到结构使用后的安全性，用以核对其设计要求或检验其是否安全可靠。结构设计模型的制作又是一大问题之一，破坏形式、破坏原因以及结构整体性在结构试验中起着决定性作用。

1 材料性能

结构设计竞赛竹皮材料主要有0.2 mm、0.35 mm及0.5 mm三种规格，查阅有关竹皮材料性能的材料总结以下3点[1]。

1.1 极限承载力与试件宽度的关系

在长度、厚度相同条件下，竹皮试件的极限承载力随宽度的增加而增大，呈线性相关。0.35 mm厚度试件增长趋势较稳定，承载力具有较强的上升空间，而0.2 mm和0.5 mm承载力上升空间不佳。这是由于厚度为0.35 mm竹皮材料的节点缺陷相对较少，而0.5 mm竹皮材料因为材料节点缺陷相对较多，致使宽度增加到一定值，承载能力达到极限状态。

1.2 极限承载力与试件长度的关系

竹皮材料在厚度和宽度相同的条件下，试件长度越长，极限荷载值越小。

1.3  极限承载力与竹皮材料厚度的关系

竹皮试件在长度、宽度相同条件下，极限承载力随着厚度增加而增大，同时，其增长的幅度呈上升趋势[2]。

2模型制作

2.1 模型主要破坏形式

2.1.1 失稳破坏

杆件开裂致使失稳破坏。竹皮之间粘连的位置处因受较大的偏心轴力、扭矩或者多重不利荷载组合作用下，发生开裂的情况。

2.1.2 扭转破坏

承载力小于荷载产生内力将致使杆件扭转破坏。模型受较大扭转荷载，产生的荷载大于杆件的极限承载力，也因杆件制作时由于手工差异，与计算结果不符，导致竹皮内陷，整体失稳。

2.1.3 拉带（竹皮）断裂破坏

拉带（竹皮）断裂导致模型承载力不足而被破坏。拉带（竹皮）的极限承载力小于所受的拉应力，导致断裂引起整个模型受力发生较大改变，所受荷载传递至其他薄弱位置。

杆件承载力不足致使主要承重构件破坏。主要受力构件如梁、柱位置发生破坏，大概率是由于受力分析出现问题，主要受力构件其极限承载力未满足其所受荷载工况以及未满足“强柱弱梁”的设计原则，梁为荷载受力点，更多的破坏地为柱。

2.1.4 节点破坏

未遵循“强节点弱杆件”将致使模型节点破坏。节点处理为结构设计竞赛的痛点之一，以第十五届结构设计竞赛（如图1所示）为例，挑檐梁受力可等效为悬臂梁（如图2所示），位置的节点处所受弯矩（如图3所示）及剪力（如图4所示）最大，节点处理是模型结构制作的重点。

2.1.5 柱脚破坏

柱脚破坏将致使整体模型失稳破坏。柱脚在实际工程中类似于基础部分，起着整个模型是否能够完成完整加载过程的决定性因素；在结构设计竞赛及校内选拔赛中，有大部分模型不重视柱脚的制作，采用单层0.5 mm的竹皮进行固定，致使在受模型单侧荷载工况时，各柱脚产生了受拉及受压不同的受力情况，导致柱脚破坏，模型一边倒而破坏。

2.2 模型優化

模型制作主要分为杆件制作及节点处理两方面。通过不同的破坏试验，对杆件优化及节点处理进行研究，并提出以下的方法[3]。

2.2.1 腹中插片法

该优化方法可针对杆件破坏形式中的两种情况，该方法通过先粘结三面竹皮，再根据腹中的宽度、高度，裁剪出贴合该部位的方块，该片段可采用0.5 mm的竹皮或者6 mm×1 mm规格的竹条，在所需位置处腹中加入小竹片后，进行最后一面的粘贴。

该方法可以加强杆件四面竹皮的整体性，减少竹皮开裂而导致承载力下降的可能性，不足之处是制作流程繁琐、小竹片的裁剪困难，如果裁剪出现误差时容易导致四面粘合不均匀或者第四面无法贴合。可利用受力分析软件，受力较大位置即薄弱位置进行插片即可。

2.2.2 竹皮围合约束法

该方法与腹中原理类似，但其对破坏形式更有效，且制作工艺更简便。其用0.2 mm的竹皮，裁剪10 cm长，2 mm宽的长条竹皮，对所需加固位置，进行缠绕滴胶水即可。其加固位置主要集中在受弯矩较大的中间处。该方法还可用于，节点位置处存在多重竹皮拉带搭接情况，需注意竹皮必须与四面贴合，不能存在镂空现象。

2.2.3 拉条的选择及使用

0.35 mm的竹皮材料的“性价比”相对于其他两种材料更高，可充分利用0.35  mm竹皮材料，对于受力较大位置可采用内外双重保障，宽度采用5～8 mm最为合适。

除竹皮之外，还可使用竹条；不同大小内力可将竹条削至所能承受的截面尺寸然后进行粘合。除此之外，拉条的粘合，可将其贯穿支柱中并利用竹粉浇筑，将所受荷载传递至只要承重构件，并能够保证模型整体性，避免竹条接触面过小而节点破坏的情况发生[4]。

2.2.4 节点位置处理

最传统的做法是通过竹材磨出的竹皮进行浇筑，使其形成整体。还裁剪0.2 mm适当尺寸的竹皮，将节点位置处两根杆件进行粘合，避免两根杆件之间的侧向位移[5]。

2.2.5 柱脚制作

在各软件受力分析过程中，都将柱脚设定为固定约束，因此模型能否最贴切计算书的承载能力，得确保支座的稳定性。可通过0.2 mm的竹皮材料裁剪两条5 mm、宽度10 cm长度的长竹皮，利用3 mm×3 mm的竹条作为定位，将长竹皮通过竹条为孔边卷边使用胶水粘合，最后取出竹条获得一个中间小孔的圆柱体；再利用相同规格的长竹皮，先将一边利用胶水粘合在柱脚位置，再绕圈包裹圆柱体，边绕边使用胶水粘合，最终成型。

2.3 模型结构形式

一个经过优化的模型，可以做到“造价最低，受力性能最好”，从而达到经济性、安全性的各项要求。在结构设计竞赛中亦是如此，一个合理的结构体系，可以做到最轻的质量承受最大的受力工况，从而在比赛中获得较好的成绩。而结构竞赛所使用的材料为竹材，其抗拉性能远远地大于抗压、抗剪性能，故拉条的充分使用即可减少大多数不必要的杆件，充分地将荷载以拉力的形式通过拉带传递至受力杆件[6]。

2.3.1受扭作用下的试验结果

实际试验结果对比如图5、图6所示。可以得出以下两点结论。

第一，未加侧向拉带地加侧向荷载2 kN后，柱子发生扭转边变形失稳破坏。

第二，加侧向拉带后，加5 kN后，拉带节点处断裂，依旧出现柱子扭转破坏的情况。试验节点处理不佳，但其承载力依旧增加了两倍之多，可见在受扭过程中，拉带能够起到传递内力的作用，如图6所示。

2.3.2弯矩作用下的试验结果

第一，未使用拉带的挑檐梁在承重3 kN后破坏，节点拉裂，最后整个挑檐梁压断（如图7、8所示）。

第二，使用拉带的挑檐梁（如圖9所示）在承重5kN后，柱子中间出现了较大挠度，在加至6 kN后拉带断裂后，挑檐梁节点瞬间压断（如图10所示），可见在承重构件承载力足够的情况下，挑檐梁的极限承载力提升了整整的两倍。

3 结语

通过查阅相关资料及对结构模型的制作、加载，观察其破坏特征，为后续参与结构设计竞赛选手提供以下两条的经验总结。

第一，根据材料的性能不同，针对不同受力情况选用不同的材料，确保用最少的材料制作出最好的模型，如拉条可采用0.35 mm的竹皮材料、插片可采用0.5 mm竹皮材料、围合约束可采用0.2 mm的竹皮材料。

第二，根据结构模型在加载过程中的破坏特征总结出各种解决方案以及全国大学生设计竞赛中模型制作时，对竹材抗拉的优点的分析，体现拉带的重要性，多使用拉条、拉带来得到“高强轻质”的效果。

参考文献

[1] 常海林，张旭钦，钱格军，等.大学生结构设计大赛材料力学性能试验研究[J].高等建筑教育，2017，26（5）：108-114.

[2] 贾新聪.结构竞赛模型材料物理力学性能及模型设计制作研究[D].河南：华北水利水电大学，2018.

[3] 刘晓红.大学生结构设计大赛的选型与设计[J].四川建材， 2016，42（7）：26-27.

[4] 于洋，姜峰，司炳君，等.关于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法[J].科技资讯，2008（2）：201-202.

[5] 黄祖伟，黄焕椿，刘祎康，等.结构设计竞赛中模型工艺与制作方法研究[J].赣南师范大学学报，2017，38（6）：120-122.

[6] 赏莹莹，王丽佳，黄文琪.结构设计竞赛中碰撞冲击下梁式结构设计与模型制作[J].绍兴文理学院学报（教育版），2019，39 （1）：104-109.