结构模型破坏问题及分析

解建超　朱江南

[摘要]通过对大量模型加载试验的观察、分析和研究,结合钢结构、混凝土结构等专业知识,总结纸质结构模型常见破坏形式,并对其产生原因进行分析,提出解决方案。

[关键词]模型 构件 破坏形式 解决方案

中图分类号:TU3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920110-01

在我们生活中有各式各样的结构,基础设施中经常看到的有混凝土结构、钢结构、钢筋混凝土结构、钢混组合结构等,这些结构的破坏原因主要为强度不足、失稳、疲劳破坏等。同样,在结构模型比赛中,模型的破坏形式各式各样,但是当我们对这些破坏形式进行总结时会发现,引发破坏的原因与实际的结构相类似。下面总结了结构模型破坏的几种常见形式。

一个模型的构件主要有连接件、轴心受压构件、偏心受压构件、受弯构件、拉弯压弯构件。

一、轴心受力构件的破坏方式

为了了解轴心受力构件的力学性能做了杆件压缩试验,压缩试验是在常温、空气干燥下受到一次单向均匀压缩,在万能试验机上进行,由零缓慢加荷直到试件破坏。在电脑上自动生成了应力变形曲线。

由试验曲线可以得到有用的力学性能指标:抗压强度、弹性模量。影响模型构件性能的因素较多,主要是纸的化学成分的影响、制作过程不同的影响、环境温度湿度的影响。

经试验和理论分析研究,轴心受压构件受力后的破坏方式有两类。1.短而粗的受力构件主要是强度破坏。当其某一截面上的平均应力达到控制应力如极限强度,就认为构件已达到承载能力极限状态。2.长而细的轴心受力构件主要是失去整体稳定性而破坏,当截面上的平均应力还远低于纸的极限强度时,常由于其内力和外力间不能保持平衡的稳定性,某些微扰动(比如加载时引起的对结构的扰动)就足以使构件产生很大的弯曲变形,或扭转变形或又弯又扭而丧失承载能力,这现象就成为整体稳定性,或称屈曲。3.对于用薄纸板做成类似于钢结构中的H形轴心受压构件,当压力大到一定程度时,在构件尚未丧失稳定性以前,个别板件可能先不能保持其平面平衡状态,而发生波形凸曲,丧失了稳定性,造成局部失稳。

解决方法:

对于粗而短的受压构件可通过增大截面面积提高其承载力。

对于长而细的受压构件可通过减小杆件的柔度提高其承载力。

对于薄壁构件,要防止其失稳可通过增加壁厚和增加各种形式的加劲肋提高局部稳定性。

二、纸带作受拉构件时的撕裂

纸带作为受拉构件时,会因为强度不够、粘结不牢、还未吹干、不能做到全截面均匀受拉,产生破坏。

解决方法:根据纸带所要承受的力确定纸带的宽度和层数,尽量把纸带拉平顺,胶水用量适中、涂抹均匀,与其他杆件连接处要加固,加载时截面应均匀受拉。杆件干燥情况下比潮湿时承载力高。

三、结点应力集中,强度不够而破坏

结点包括柱与柱的结点,柱与梁的结点,柱与绳子或纸袋的结点,梁与绳子或纸袋的节点等,这些结点因为局部应力较大而易破坏。在钢结构中,杆件连接主要通过连接件的连接,分为焊缝连接和紧固件连接(现在常用螺栓),节点处强度要高于杆件强度。在纸质模型结构中,节点也有紧固件连接和胶水粘结。破坏形式主要有连接件强度不够、粘结强度不够、杆件接触端因应力集中破坏。

解决方法:针对上述破坏原因,杆与杆或绳子、纸带结点处应局部加强。例如,在杆件中加塞子,纸带与杆接触处需再加两层纸条局部加固,考虑到节省材料减轻自重,只需短短的一段即可。

四、结构变形过大导致破坏或失效

在实际结构中都有变形的允许值,当其变形过大会影响建筑物的继续使用,此时即认为达到承载能力极限。例如铁路桥梁的挠度很大时则极易造成铁路出轨。某些情况下结构因变形过大而改变受力状态,导致整个结构破坏。同样某些结构模型比赛中也会有变形的限制和因过大变形导致结构破坏。过大的变形有下列三种情况

情况一:当杆件在垂直于主轴的横向力作用下,杆件内变矩较大,当同时承受轴压力时,即为压弯构件。杆件横向绕曲变形明显,且变形在荷载不变情况下随时间积累,最终变形过大破坏或超过允许值被视为失效。

解决办法:加强杆端约束或增加中间支撑。

情况二:在结构荷载不断加大,随结构变形加大,刚结点存在会使杆件偏心受压,使杆件中产生弯矩,此时轴心受压杆件变成压弯杆件。且弯矩随荷载加大而变大,最终因横向弯曲变形过大而破坏。

解决办法:避免刚结点产生变矩。1.可将刚结点改为可动铰;2.将结构整体刚度加大,如加厚纸带等。

情况三:绳子作为受拉杆件产生较大的拉长变形,当用作类似于悬索桥或斜拉桥中的拉索时,因绳子的弹性模量很小而产生很大的变形,引起结构整体变形较大而不能再满足变形要求或者承载力下降。

解决方法:加粗绳子,不要以强度来决定绳子根数而应该以变形控制绳子所需根数。

五、结构整体的失稳

结构在主要受力构件均工作良好情况下,结构发生整体扭转或向一边倾倒,导致不能继续承重。有些同学做出的结构本身就是一个机动体系,所以不能承受荷载。

解决办法:根据失稳的原因,加强结构的约束或改变结构形式,限制其某一个或几个方向的失稳。

六、结构工艺粗糙

做工粗糙会引起结构的尺寸设计偏差较大,应对称的结构却不对称,导致受力不均,结构易失稳而破坏。

解决办法:提高制作工艺,加强工具装备,制作时一定要细心认真,细节不容忽视。

七、总结

结构模型的破坏与生活中建筑结构的破坏有类似的地方,所以我们当遇到结构破坏时,可以看看那些钢结构或混凝土结构建筑是怎样处理的,然后在此基础上有突破有创新的解决问题。同样结构模型中的创新也可以应用到建筑结构中去。

作者简介:

解建超(1987-),男,汉族,河北省河间市人,中南大学土木建筑学院本科在读;朱江南(1985-),男,汉族,湖南省望城县人,中南大学土木建筑学院本科在读。