結(jié)構(gòu)模型破壞問題及分析

解建超　朱江南

[摘要]通過對(duì)大量模型加載試驗(yàn)的觀察、分析和研究,結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等專業(yè)知識(shí),總結(jié)紙質(zhì)結(jié)構(gòu)模型常見破壞形式,并對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,提出解決方案。

[關(guān)鍵詞]模型 構(gòu)件 破壞形式 解決方案

中圖分類號(hào):TU3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920110-01

在我們生活中有各式各樣的結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)設(shè)施中經(jīng)常看到的有混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)等,這些結(jié)構(gòu)的破壞原因主要為強(qiáng)度不足、失穩(wěn)、疲勞破壞等。同樣,在結(jié)構(gòu)模型比賽中,模型的破壞形式各式各樣,但是當(dāng)我們對(duì)這些破壞形式進(jìn)行總結(jié)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),引發(fā)破壞的原因與實(shí)際的結(jié)構(gòu)相類似。下面總結(jié)了結(jié)構(gòu)模型破壞的幾種常見形式。

一個(gè)模型的構(gòu)件主要有連接件、軸心受壓構(gòu)件、偏心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件、拉彎壓彎構(gòu)件。

一、軸心受力構(gòu)件的破壞方式

為了了解軸心受力構(gòu)件的力學(xué)性能做了桿件壓縮試驗(yàn),壓縮試驗(yàn)是在常溫、空氣干燥下受到一次單向均勻壓縮,在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,由零緩慢加荷直到試件破壞。在電腦上自動(dòng)生成了應(yīng)力變形曲線。

由試驗(yàn)曲線可以得到有用的力學(xué)性能指標(biāo):抗壓強(qiáng)度、彈性模量。影響模型構(gòu)件性能的因素較多,主要是紙的化學(xué)成分的影響、制作過程不同的影響、環(huán)境溫度濕度的影響。

經(jīng)試驗(yàn)和理論分析研究,軸心受壓構(gòu)件受力后的破壞方式有兩類。1.短而粗的受力構(gòu)件主要是強(qiáng)度破壞。當(dāng)其某一截面上的平均應(yīng)力達(dá)到控制應(yīng)力如極限強(qiáng)度,就認(rèn)為構(gòu)件已達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。2.長(zhǎng)而細(xì)的軸心受力構(gòu)件主要是失去整體穩(wěn)定性而破壞,當(dāng)截面上的平均應(yīng)力還遠(yuǎn)低于紙的極限強(qiáng)度時(shí),常由于其內(nèi)力和外力間不能保持平衡的穩(wěn)定性,某些微擾動(dòng)(比如加載時(shí)引起的對(duì)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng))就足以使構(gòu)件產(chǎn)生很大的彎曲變形,或扭轉(zhuǎn)變形或又彎又扭而喪失承載能力,這現(xiàn)象就成為整體穩(wěn)定性,或稱屈曲。3.對(duì)于用薄紙板做成類似于鋼結(jié)構(gòu)中的H形軸心受壓構(gòu)件,當(dāng)壓力大到一定程度時(shí),在構(gòu)件尚未喪失穩(wěn)定性以前,個(gè)別板件可能先不能保持其平面平衡狀態(tài),而發(fā)生波形凸曲,喪失了穩(wěn)定性,造成局部失穩(wěn)。

解決方法:

對(duì)于粗而短的受壓構(gòu)件可通過增大截面面積提高其承載力。

對(duì)于長(zhǎng)而細(xì)的受壓構(gòu)件可通過減小桿件的柔度提高其承載力。

對(duì)于薄壁構(gòu)件,要防止其失穩(wěn)可通過增加壁厚和增加各種形式的加勁肋提高局部穩(wěn)定性。

二、紙帶作受拉構(gòu)件時(shí)的撕裂

紙帶作為受拉構(gòu)件時(shí),會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不夠、粘結(jié)不牢、還未吹干、不能做到全截面均勻受拉,產(chǎn)生破壞。

解決方法:根據(jù)紙帶所要承受的力確定紙帶的寬度和層數(shù),盡量把紙帶拉平順,膠水用量適中、涂抹均勻,與其他桿件連接處要加固,加載時(shí)截面應(yīng)均勻受拉。桿件干燥情況下比潮濕時(shí)承載力高。

三、結(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中,強(qiáng)度不夠而破壞

結(jié)點(diǎn)包括柱與柱的結(jié)點(diǎn),柱與梁的結(jié)點(diǎn),柱與繩子或紙袋的結(jié)點(diǎn),梁與繩子或紙袋的節(jié)點(diǎn)等,這些結(jié)點(diǎn)因?yàn)榫植繎?yīng)力較大而易破壞。在鋼結(jié)構(gòu)中,桿件連接主要通過連接件的連接,分為焊縫連接和緊固件連接(現(xiàn)在常用螺栓),節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)度要高于桿件強(qiáng)度。在紙質(zhì)模型結(jié)構(gòu)中,節(jié)點(diǎn)也有緊固件連接和膠水粘結(jié)。破壞形式主要有連接件強(qiáng)度不夠、粘結(jié)強(qiáng)度不夠、桿件接觸端因應(yīng)力集中破壞。

解決方法:針對(duì)上述破壞原因,桿與桿或繩子、紙帶結(jié)點(diǎn)處應(yīng)局部加強(qiáng)。例如,在桿件中加塞子,紙帶與桿接觸處需再加兩層紙條局部加固,考慮到節(jié)省材料減輕自重,只需短短的一段即可。

四、結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致破壞或失效

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中都有變形的允許值,當(dāng)其變形過大會(huì)影響建筑物的繼續(xù)使用,此時(shí)即認(rèn)為達(dá)到承載能力極限。例如鐵路橋梁的撓度很大時(shí)則極易造成鐵路出軌。某些情況下結(jié)構(gòu)因變形過大而改變受力狀態(tài),導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。同樣某些結(jié)構(gòu)模型比賽中也會(huì)有變形的限制和因過大變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。過大的變形有下列三種情況

情況一:當(dāng)桿件在垂直于主軸的橫向力作用下,桿件內(nèi)變矩較大,當(dāng)同時(shí)承受軸壓力時(shí),即為壓彎構(gòu)件。桿件橫向繞曲變形明顯,且變形在荷載不變情況下隨時(shí)間積累,最終變形過大破壞或超過允許值被視為失效。

解決辦法:加強(qiáng)桿端約束或增加中間支撐。

情況二:在結(jié)構(gòu)荷載不斷加大,隨結(jié)構(gòu)變形加大,剛結(jié)點(diǎn)存在會(huì)使桿件偏心受壓,使桿件中產(chǎn)生彎矩,此時(shí)軸心受壓桿件變成壓彎桿件。且彎矩隨荷載加大而變大,最終因橫向彎曲變形過大而破壞。

解決辦法:避免剛結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生變矩。1.可將剛結(jié)點(diǎn)改為可動(dòng)鉸;2.將結(jié)構(gòu)整體剛度加大,如加厚紙帶等。

情況三:繩子作為受拉桿件產(chǎn)生較大的拉長(zhǎng)變形,當(dāng)用作類似于懸索橋或斜拉橋中的拉索時(shí),因繩子的彈性模量很小而產(chǎn)生很大的變形,引起結(jié)構(gòu)整體變形較大而不能再滿足變形要求或者承載力下降。

解決方法:加粗繩子,不要以強(qiáng)度來決定繩子根數(shù)而應(yīng)該以變形控制繩子所需根數(shù)。

五、結(jié)構(gòu)整體的失穩(wěn)

結(jié)構(gòu)在主要受力構(gòu)件均工作良好情況下,結(jié)構(gòu)發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)或向一邊傾倒,導(dǎo)致不能繼續(xù)承重。有些同學(xué)做出的結(jié)構(gòu)本身就是一個(gè)機(jī)動(dòng)體系,所以不能承受荷載。

解決辦法:根據(jù)失穩(wěn)的原因,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的約束或改變結(jié)構(gòu)形式,限制其某一個(gè)或幾個(gè)方向的失穩(wěn)。

六、結(jié)構(gòu)工藝粗糙

做工粗糙會(huì)引起結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)偏差較大,應(yīng)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)卻不對(duì)稱,導(dǎo)致受力不均,結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)而破壞。

解決辦法:提高制作工藝,加強(qiáng)工具裝備,制作時(shí)一定要細(xì)心認(rèn)真,細(xì)節(jié)不容忽視。

七、總結(jié)

結(jié)構(gòu)模型的破壞與生活中建筑結(jié)構(gòu)的破壞有類似的地方,所以我們當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)破壞時(shí),可以看看那些鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)建筑是怎樣處理的,然后在此基礎(chǔ)上有突破有創(chuàng)新的解決問題。同樣結(jié)構(gòu)模型中的創(chuàng)新也可以應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中去。

作者簡(jiǎn)介:

解建超(1987-),男,漢族,河北省河間市人,中南大學(xué)土木建筑學(xué)院本科在讀;朱江南(1985-),男,漢族,湖南省望城縣人,中南大學(xué)土木建筑學(xué)院本科在讀。