趙子涵 王欽亭* 楊 震 王 梓

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

紙結(jié)構(gòu)模型制作工藝與節(jié)點(diǎn)連接方式探究★

趙子涵 王欽亭* 楊 震 王 梓

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

以“河南省第二屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽”命題為背景，對紙質(zhì)桿件在制作與連接過程中所出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究，并結(jié)合實(shí)際情況提出了相應(yīng)的優(yōu)化對策，以促進(jìn)不同條件下紙模型制作工藝的發(fā)展。

紙結(jié)構(gòu)模型，制作方法，桿件連接，荷重比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類相關(guān)競賽是面向土木工程專業(yè)學(xué)生所舉辦的科技創(chuàng)新類競賽，因其與實(shí)際工程的緊密聯(lián)系同時能夠較好的培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新意識、動手能力，而被譽(yù)為“大學(xué)生八大賽事”之一。木材、紙張以其環(huán)保、廉價易得、承載強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而成為比賽的主要選材[1]。對于紙質(zhì)材料，遇水及膠后易收縮變形從而影響其強(qiáng)度、承載能力以及美觀性。除此之外，桿件的連接方式會直接影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和荷重比。

現(xiàn)有文獻(xiàn)多側(cè)重于紙結(jié)構(gòu)的截面選型以及承載能力，王志剛做了有關(guān)紙質(zhì)材料在靜態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能探究[2]，秦武等研究了紙質(zhì)材料承載力受紋路、寬度、厚度、濕度影響[3]。文獻(xiàn)中對桿件的制作方法以及節(jié)點(diǎn)連接方式涉及較少。

本文以“河南省第二屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”為背景，并且結(jié)合實(shí)際的制作經(jīng)驗(yàn)，對整個在制作過程中遇到的問題做出了一定的探究。

1 比賽命題分析

本次競賽要求使用白卡紙(保定產(chǎn)175 g/m2～186 g/m2)和白乳膠(頂立牌)制作出一個房屋結(jié)構(gòu)模型，要求屋面外輪廓的投影面積能夠覆蓋內(nèi)部容納的600 mm×400 mm×250 mm的試塊。模型加載時采取結(jié)構(gòu)頂部中心加載，加載板尺寸為300 mm×200 mm，加載上限為30 kg。

考慮結(jié)構(gòu)的整體美觀與荷重比，經(jīng)過前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析、模型制作，從最初的幾種方案中選出優(yōu)化空間較大的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行后期的模型優(yōu)化(見圖1)。

2 桿件制作工藝的評價指標(biāo)

作為結(jié)構(gòu)模型的重要組成部分，紙質(zhì)桿件的重量大小、制作工藝以及連接方式將直接影響結(jié)構(gòu)整體的荷重比及整體美觀[4]。對于制作工藝相關(guān)的評價指標(biāo)，目前還沒有明確的定義。但在實(shí)際制作過程中，由于操作不當(dāng)可能會出現(xiàn)如下缺陷：

1)桿件卷的不密實(shí)且在風(fēng)干后會出現(xiàn)氣泡；

2)桿件風(fēng)干之后發(fā)生收縮彎曲(見圖2)；

3)桿件在制作過程中發(fā)生紙張的褶皺(見圖3)；

4)桿件制作完成后表面不整潔、較臟；

5)桿件制作成功率較低。

在不影響結(jié)構(gòu)整體美觀以及其受力性能的前提下，對于紙質(zhì)桿件而言，好的制作工藝就是：制作花費(fèi)時間少，成功率高，在制作完成后桿件內(nèi)部密實(shí)，表面整潔且在風(fēng)干后不發(fā)生彎曲變形。

3 桿件制作工藝實(shí)際探究

市場上的該種紙大致可分為兩種類型：一種單位面積質(zhì)量小于180 g，這種紙吸水性強(qiáng)，吸水變形量大；另一種單位面積質(zhì)量大于180 g，這種紙吸水性相對較弱且吸水后變形量小。在制作圓截面桿件時，前一種紙較后一種紙更易發(fā)生前面所述的現(xiàn)象。所以，在保證所做桿件符合各項(xiàng)要求的條件下，不同類型的紙采用不同的制作方法：

1)單位面積質(zhì)量小于180 g。

此類材質(zhì)偏軟，在卷?xiàng)U過程中不會產(chǎn)生因紙張順逆紋而造成的褶皺現(xiàn)象，但是制作完成后，在風(fēng)干的過程中表面水分蒸發(fā)速率的不同極易導(dǎo)致桿件彎曲，所以在卷?xiàng)U工作完成后可以將桿件留在工具上待其風(fēng)干后再取出。為提高制作成功率與制作質(zhì)量此類桿件截面最好為多邊形(見圖4)。

2)單位面積質(zhì)量大于180 g。

此類材質(zhì)本身硬度高，若在卷?xiàng)U時不注意紙質(zhì)的順逆紋，很容易導(dǎo)致所卷?xiàng)U件出現(xiàn)褶皺與空隙，從而影響其承載能力，故避免逆紋卷紙(可用彎曲紙張感覺阻力大小來判斷紋理走向)。實(shí)際制作時，此類桿件截面形狀以圓形為宜，且在紙張一邊用砂紙打磨提高粘結(jié)力。

卷?xiàng)U時先將紙張起始處折起寬度為5 mm左右的紙邊，用硬卡片沿紙邊將其與卷?xiàng)U工具緊密相貼，確定紙張與工具貼緊并無相對滑動后開始卷?xiàng)U(此時先不涂膠，卷紙15次～20次使紙張產(chǎn)生紙痕以方便后期壓密)。涂抹過程中用膠要適量，涂抹要均勻全面，防止出現(xiàn)局部含膠量不均勻造成的2中1)，3)現(xiàn)象。制作完成后用紙片來回按壓紙桿提高內(nèi)部密實(shí)度(見圖5)。

4 節(jié)點(diǎn)連接方式的探究

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的受力較為復(fù)雜。在大量模型加載試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)破壞較多的地方就是桿件的連接處。就結(jié)構(gòu)的荷重比以及整體美觀而言，節(jié)點(diǎn)處理的方式更顯重要。構(gòu)件全部組裝完成后質(zhì)量有較大的增加，經(jīng)過分析，增加的質(zhì)量主要集中在連接件和多余的紙帶上。

4.1 節(jié)點(diǎn)連接方式

就本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽而言，其加載上限僅為30 kg，因此模型結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時采用的就是減少多余約束的個數(shù)，提高節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度。

構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接時的方法大致分為以下三類：

1)通過連接件連接(見圖6)，這種連接方式適應(yīng)桿件截面形狀的范圍廣且強(qiáng)度基本都能滿足受力要求，缺點(diǎn)是影響結(jié)構(gòu)整體的美觀，質(zhì)量較重；

2)構(gòu)件自身經(jīng)過一定處理后形成節(jié)點(diǎn)(見圖7)，這種連接方式滿足美觀要求的同時，質(zhì)量(多余質(zhì)量為涂膠和固定紙帶質(zhì)量)最輕，但需要依照桿件截面的不同而做出不同的設(shè)計(jì)，對制作人員的創(chuàng)造力有一定要求；

3)根據(jù)桿件截面的形狀設(shè)計(jì)出相關(guān)的嵌入連接方案并且通過注膠提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度(見圖8，圖9)，這種連接方式較美觀，但桿件連續(xù)彎折部分較大的接觸應(yīng)力要求桿件壁厚不能太小，否則在接觸部位會發(fā)生接觸變形，這就在某種程度上增加了結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量。

本次結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競賽主要受力桿件截面形狀選定為圓形，連接方式采用嵌入注膠(見圖9)。

4.2 桿件連接的蒙皮工藝

紙張的受拉性能要強(qiáng)于其受壓性能，其所能承受拉力的大小

隨著紙帶橫截面積的增大而增大。當(dāng)紙帶受拉時，往往會因?yàn)閺?qiáng)度、粘結(jié)以及不均勻受拉問題產(chǎn)生破壞[5]。為滿足受力需要，往往需要增加紙帶的層數(shù)，而過厚的紙帶層數(shù)不但不利于紙帶與桿件之間的粘結(jié)，反而會因?yàn)楹z量的增加減弱其受力性能。以圖1所示結(jié)構(gòu)模型為例，方案改進(jìn)前受拉構(gòu)件全部以紙帶連接，盡管后期承載力達(dá)到了要求，紙帶對桿件的剪力極易導(dǎo)致桿件的受剪以及紙帶自身的破壞(見圖10)，可將受拉紙帶改進(jìn)為單層蒙皮(見圖11)。

采用蒙皮工藝不僅提升了結(jié)構(gòu)整體的美觀，減輕了結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，也在很大程度上增加了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。與桿件較寬的接觸面積將原有的拉力均勻的分布在整個桿件之上，避免了桿件的受剪破壞。最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖11所示，總重143 g。

5 結(jié)語

通過總結(jié)分析參賽隊(duì)員在參加“河南省第二屆結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽”制作紙模型過程中所遇到的問題，得出了針對不同紙質(zhì)條件下桿件的制作方法，與不同桿端截面下節(jié)點(diǎn)處理方式等關(guān)鍵問題的一些創(chuàng)新型做法，與此同時又引入了注膠與蒙皮這兩種能夠提高模型承載力與穩(wěn)定度的制作方法。填補(bǔ)并發(fā)展了不同條件下紙模型制作工藝。

[1] 王立彬，李 靚.紙質(zhì)構(gòu)件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2010，32(6)：88-91.

[2] 王志剛，穆建春.紙質(zhì)材料在靜態(tài)荷載作用下力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)探究[J].廣西輕工業(yè)，2009，25(6)：25-26.

[3] 秦 武，鄭云霄.紙質(zhì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(理科版)，2007,31(5)：266-269.

[4] 于 洋，姜 峰.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中模型的設(shè)計(jì)與制作方法[J].科技資訊，2008(2)：201-202.

[5] 解建超，朱江南.結(jié)構(gòu)模型破壞問題及分析[J].硅谷，2009(18)：110.

Exploration research on making craft and joint connection for paper structural model★

ZHAO Zi-han WANG Qin-ting* YANG Zhen WANG Zi

(SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Taking “The Second Structural Design Competition in Henan Province” as the background, the paper studies problems occurring in paper membrane fabrication and connection, and puts forward optimal countermeasures by combining with actual conditions, with a view to promote the development of paper model fabrication under various conditions.

paper structure model, fabrication method, structural connection, loading rate, structural optimization

1009-6825(2014)11-0039-02

2014-01-18★：河南省教育教學(xué)改革項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2012SJGLX117)；河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)項(xiàng)目資助

趙子涵(1993- )，男，學(xué)士； 王欽亭(1973- )，男，副教授； 楊 震(1993- )，男，學(xué)士； 王 梓(1993- )，男，學(xué)士

TU317.1

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