大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型結(jié)點(diǎn)處理淺析

耿琳?張宇?李明澤

摘 要：近年來(lái)，隨著各種省級(jí)和國(guó)家級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的開(kāi)展，各地區(qū)各個(gè)高校積極組織，認(rèn)真?zhèn)滟?。結(jié)構(gòu)競(jìng)賽模型桿件制作材料有白卡紙、竹制材料和木質(zhì)材料等，針對(duì)不同的材料在結(jié)點(diǎn)的處理各有不同。本文介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽所用的白卡紙和竹制材料的結(jié)點(diǎn)處理方法，并得出了一些實(shí)用的結(jié)論，希望對(duì)今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中結(jié)點(diǎn)處理有所幫助。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；桿件；結(jié)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一項(xiàng)極富創(chuàng)造性、挑戰(zhàn)性的科技競(jìng)賽。它旨在通過(guò)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，提高動(dòng)手能力與思維能力，突出創(chuàng)新精神，加強(qiáng)學(xué)生之間的合作與交流，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，豐富學(xué)生的課余生活。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽可以很好地將課堂理論與實(shí)際工程緊密結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)大學(xué)生的設(shè)計(jì)與計(jì)算能力。本文結(jié)合沈陽(yáng)建筑大學(xué)校內(nèi)舉行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽選拔賽介紹白卡紙和竹制材料的結(jié)點(diǎn)處理，為學(xué)生設(shè)計(jì)和加工結(jié)構(gòu)模型提供參考。

結(jié)點(diǎn)處理：

結(jié)點(diǎn)處的受力較為復(fù)雜，是結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)際工程中，一般要求框架結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度大于梁柱結(jié)構(gòu)，模型制作也不例外，尤其是受拉結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則是：主要受力結(jié)構(gòu)在結(jié)點(diǎn)處保持連續(xù)不截?cái)?，次要的?gòu)件與重要構(gòu)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(shí)，其強(qiáng)度明顯降低，且施加荷載后變形不穩(wěn)定。一張白卡紙是由三層不同的紙經(jīng)過(guò)膠合形成的，模型制作時(shí)，在賽題允許對(duì)紙張加工的情況下，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕覍犹幚?，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，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(jié)點(diǎn)

即該結(jié)點(diǎn)處至少有一根以上的桿件受拉應(yīng)力，受拉結(jié)點(diǎn)是模型試驗(yàn)中破壞最為常見(jiàn)的部位，應(yīng)引起足夠重視。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一般的結(jié)點(diǎn)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?cái)?，然后采用蠟線綁扎或者用紙條固定，或者在預(yù)留出足夠粘結(jié)接觸表面后截?cái)?。其?yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省材料用量，做工方便，結(jié)點(diǎn)抗拉效果好。

（2）“構(gòu)件連接器法”，即在連接處內(nèi)襯一根小直徑短桿或外套一根大直徑短桿，形成構(gòu)件連接器，亦可使用結(jié)點(diǎn)板。

（3）“抓握法”即將受拉的桿件的一段預(yù)留一定長(zhǎng)度，對(duì)于圓形桿件將其一段剪成十字花形，然后將其粘結(jié)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(gè)桿件可以緊密連接。然后在外表面用紙張將結(jié)點(diǎn)包好。（如圖2所示）

2.受壓結(jié)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般具有足夠的強(qiáng)度，在保證穩(wěn)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(jié)點(diǎn)較受拉結(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，抵抗破壞的能力也較好。在制作時(shí)，受壓結(jié)點(diǎn)基本要領(lǐng)：保證結(jié)點(diǎn)處各桿件軸線處于同一平面內(nèi)，且受壓接觸面務(wù)必充分接觸。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一般的結(jié)點(diǎn)可采用的方法有“構(gòu)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(fā)生加聚反應(yīng)，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(shí)，在賽題允許對(duì)紙張加工的條件下，對(duì)于不同受力情況下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作要順著紋路方向或垂直紋路方向進(jìn)行裁剪，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，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(lái)的構(gòu)件也有很好的抗壓性能，且有較好的韌性。

1.交叉結(jié)點(diǎn)

交叉結(jié)點(diǎn)在立體結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)，如高層建筑模型等，在橋梁結(jié)構(gòu)中，一般為橋面設(shè)計(jì)中的縱橫交叉。在制作時(shí)，需要制作者進(jìn)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(diǎn)分別開(kāi)出槽口，然后將二者充分咬合連接。而槽口的開(kāi)挖方法有多種形式，需根據(jù)實(shí)際選用。一些具體處理方法可參考如下：

（1）“貼薄片法”即在結(jié)點(diǎn)處只需要加一塊薄片。其優(yōu)點(diǎn)有：可以控制結(jié)點(diǎn)剛度，使得模型整體剛度增加，操作簡(jiǎn)單，在提高結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和模型整體剛度的同時(shí)，模型自重的增加卻很小，貼薄片適合用于大多數(shù)情況。其缺點(diǎn)有：當(dāng)結(jié)點(diǎn)受力較大的時(shí)候，模型可能會(huì)由于貼片處結(jié)點(diǎn)損壞而導(dǎo)致整體破壞。

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

（3）“交錯(cuò)粘貼法”采用兩構(gòu)件表面重疊粘結(jié)的方法，即將結(jié)點(diǎn)處使用的竹片交錯(cuò)粘貼。其優(yōu)點(diǎn)有：通過(guò)增大兩桿件的有效接觸面積消除結(jié)點(diǎn)過(guò)小的各種不利因素，提高構(gòu)件間的穩(wěn)定和剛度要求，此種做法有效地將各桿件連接在一起，將結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)本身的一部分。其缺點(diǎn)有：此種做法限制了桿件的角度，需要經(jīng)過(guò)確切計(jì)算方可達(dá)到理想效果，另外因?yàn)槭侵丿B粘接無(wú)形中增加了相應(yīng)桿件的長(zhǎng)度，對(duì)用料方面會(huì)有所增加。

（4）“拉竹條法”即利用竹條良好的韌性和強(qiáng)度將位于結(jié)構(gòu)同一平面內(nèi)的結(jié)點(diǎn)用竹條交叉粘結(jié)。其優(yōu)點(diǎn)有：這種做法的好處是竹條質(zhì)量輕，可將此結(jié)點(diǎn)處的荷載傳遞到其他處，大大減少了結(jié)點(diǎn)處的危險(xiǎn)荷載。其缺點(diǎn)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(shì)下效果就不是很好了。

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)和制作中結(jié)點(diǎn)的處理起著至關(guān)重要的作用，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型制作時(shí)必須針對(duì)不同受力情況的結(jié)點(diǎn)采用不同的制作方法，良好的結(jié)點(diǎn)處理將使得制作出的結(jié)構(gòu)模型具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢(qián)曉倩，詹樹(shù)林.土木工程材料[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003.