胡羽佳

(山西大學(xué)附屬中學(xué)校，山西 太原030002)

1 方案與構(gòu)思

本次的課題有三個(gè)，即承受最大荷載15kg，在承受荷載的狀況下水平拉動(dòng)5 mm 位移以及在形變5 mm 位移的狀況下自由振動(dòng)直到停止，而且應(yīng)當(dāng)保持在構(gòu)件不破壞的情況下重量最輕，所以本次的要求對剛度與強(qiáng)度都提出了要求，即豎向強(qiáng)度要大，而水平剛度要小，節(jié)點(diǎn)剛度較大，這樣才能夠較好地承擔(dān)豎向力與水平力的作用。在我們的生活當(dāng)中，最常見到的房屋結(jié)構(gòu)形式是框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)，其中框架結(jié)構(gòu)的水平剛度最小，而豎向承載能力差別不大，因此優(yōu)先考慮木框架結(jié)構(gòu)來完成本次的模型分析。

2 桐木材料的性能分析

本研究所采用的材料為桐木材料，桐木結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特性，但是具體到實(shí)際的模型制作當(dāng)中，則需要考慮材料的各向異性，木材的紋理以及受力方向等，這些材料的性能直接會(huì)影響到構(gòu)件的穩(wěn)定性，從而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力，因此，筆者在制作之前，對結(jié)構(gòu)的受力性能、重量進(jìn)行了實(shí)際的量測，測量情況如下。

桐木結(jié)構(gòu)的彈性模量:制作之前應(yīng)當(dāng)對結(jié)構(gòu)材料的彈性模量進(jìn)行實(shí)際量測，因?yàn)槿绻麖椥阅Ａ坎灰恢拢敲丛诰鶆蚴芰Φ臈l件之下，每一根木柱的壓力相同，壓縮值不一致，就會(huì)造成整個(gè)模型的偏心受壓，產(chǎn)生傾覆力矩，導(dǎo)致整個(gè)模型的傾斜與坍塌，桐木結(jié)構(gòu)的彈性模量用激光位移計(jì)與壓力計(jì)進(jìn)行，共量測十組數(shù)據(jù)，剔除異常值以后取平均值作為彈性模量的代表值，可得2 ×2 mm 的桐木桿件的彈性模量約為1 272.66 MPa，因此木條的強(qiáng)度是足夠支撐15 kg 的重量的。

桐木結(jié)構(gòu)的重量:在實(shí)際的材料當(dāng)中，同樣規(guī)格的木構(gòu)件由于木材密度的分布情況不同，其重量也有差異，如果同樣做四根受力柱，那么質(zhì)量輕的一根一定是最容易產(chǎn)生形變甚至損壞的，因此在制作當(dāng)中應(yīng)當(dāng)保證受力柱重量的一致。該組試驗(yàn)當(dāng)中，量測得2 ×2 mm 柱的平均重量為1.3 g，因此選取柱材料的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)按照偏差不大于0.1 g 選取，而2 ×4 mm 的柱平均重量為2.5 g，所以也應(yīng)當(dāng)在選材時(shí)按照偏差不大于0.1 g 選取。

膠水的選擇:在市面上的502 膠水有多種品牌，但是經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，不同廠家生產(chǎn)的膠水性能差異較大，有的膠水可以在瞬間把兩個(gè)結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，強(qiáng)度也能夠保證受力需要，但是有的膠水則很難保證受力，粘結(jié)時(shí)間也較長，本次實(shí)驗(yàn)經(jīng)過比選，選擇開拓者牌號的502 膠水當(dāng)作試驗(yàn)專用膠水，強(qiáng)度較大，在試驗(yàn)過程中，也未出現(xiàn)過由于節(jié)點(diǎn)破壞而導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗現(xiàn)象。

3 受力構(gòu)件截面尺寸分析

根據(jù)受力計(jì)算，2 ×2 mm 的桐木條豎向受壓強(qiáng)度是足夠的，因此理論上15 kg 的重量，一根2 ×2 mm 的柱便可以承擔(dān)，但是在實(shí)際模型當(dāng)中，需要考慮的一個(gè)因素就是長細(xì)比，這與結(jié)構(gòu)當(dāng)中的理論也是一樣的，柱子不怕壓，但是一旦出現(xiàn)彎曲，就會(huì)產(chǎn)生二次力矩，而且一根柱子發(fā)生形變會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)，這樣結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌。所以，如何保證柱不產(chǎn)生撓度、結(jié)構(gòu)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)是研究的關(guān)鍵所在。

4 模型受力結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

為了保證強(qiáng)度以及剛度的要求，本次模型選用框架結(jié)構(gòu)，采用2 ×4 mm 的角柱，共分三層，由于模型要求地上部分不大于500 mm，因此層高分別為180 mm，160 mm，160 mm，地基基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)之間用2 ×2 mm 木條連接，形成整體。梁采用2 ×4 mm 的梁，由于體系剛度要求較小，因此梁不設(shè)置在柱中間，而是用粘貼的方式設(shè)置在柱外側(cè)，同時(shí)在柱頂與柱腳之間采用2 ×2 mm 的木條進(jìn)行斜向連接，防止平面扭轉(zhuǎn)，樓板用細(xì)木條搭設(shè)，形成受力框架模型。這樣的結(jié)構(gòu)有較好的承載能力，柱的長細(xì)比也滿足受力要求，剛度也較小。

5 模型的制作要點(diǎn)

受力體系設(shè)計(jì)好以后，最為重要的就是模型的實(shí)際制作。因?yàn)樗褂玫牟牧隙急容^細(xì)小，因此想要加工好，需要嫻熟的技巧和不斷的練習(xí)，針對質(zhì)地比較堅(jiān)硬的桐木條，應(yīng)當(dāng)采用工具刀不斷地切割，而對于較軟的桐木條可以使用刀用力往下按，避免來回搓動(dòng)造成切割截面的損傷。為了使得不同的構(gòu)件能夠很好地連接在一起，在構(gòu)件截取好之后需要對端部進(jìn)行仔細(xì)的加工，比如用砂紙打磨，使構(gòu)件端面完整平滑，便于粘貼，或者切出斜面，能夠增加粘貼的面積，增加成功率等等。

6 結(jié) 論

經(jīng)過多次的加載試驗(yàn)，并對比分析各次試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了框架結(jié)構(gòu)采用角柱與斜撐體系能夠保證重量輕、受力性能優(yōu)秀等特點(diǎn)。從模型構(gòu)件的受力體系與受力性能角度出發(fā)，對結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)、優(yōu)化，具有很強(qiáng)的實(shí)用性與指導(dǎo)意義。

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