大学生结构设计竞赛模型结点处理浅析

耿琳?张宇?李明泽

摘 要：近年来，随着各种省级和国家级结构设计竞赛的开展，各地区各个高校积极组织，认真备赛。结构竞赛模型杆件制作材料有白卡纸、竹制材料和木质材料等，针对不同的材料在结点的处理各有不同。本文介绍了结构设计竞赛所用的白卡纸和竹制材料的结点处理方法，并得出了一些实用的结论，希望对今后的结构设计竞赛中结点处理有所帮助。

关键词：结构设计竞赛；杆件；结点

结构设计竞赛是一项极富创造性、挑战性的科技竞赛。它旨在通过学生对所学知识的综合运用，提高动手能力与思维能力，突出创新精神，加强学生之间的合作与交流，培养团队精神，丰富学生的课余生活。通过结构设计竞赛可以很好地将课堂理论与实际工程紧密结合起来，培养大学生的设计与计算能力。本文结合沈阳建筑大学校内举行的结构设计竞赛选拔赛介绍白卡纸和竹制材料的结点处理，为学生设计和加工结构模型提供参考。

结点处理：

结点处的受力较为复杂，是结构中的薄弱环节。实际工程中，一般要求框架结构结点的强度大于梁柱结构，模型制作也不例外，尤其是受拉结点。结点设计的基本原则是：主要受力结构在结点处保持连续不截断，次要的构件与重要构件保证连接可靠。

1 白卡纸

白卡纸极容易受潮，空气湿度大时，其强度明显降低，且施加荷载后变形不稳定。一张白卡纸是由三层不同的纸经过胶合形成的，模型制作时，在赛题允许对纸张加工的情况下，可以进行适当的揭层处理，在保证强度的同时，减轻模型的自重。纸张具有良好的抗拉性能，在模型制作中，如果能利用好纸的这一特性，往往具有巧夺天工之妙。

1.受拉结点

即该结点处至少有一根以上的杆件受拉应力，受拉结点是模型试验中破坏最为常见的部位，应引起足够重视。在设计时，对于一般的结点可采用以下方法：

（1）“整体弯折法”，即将受拉的杆件在连接处整体弯折而不截断，然后采用蜡线绑扎或者用纸条固定，或者在预留出足够粘结接触表面后截断。其优点是可以节省材料用量，做工方便，结点抗拉效果好。

（2）“构件连接器法”，即在连接处内衬一根小直径短杆或外套一根大直径短杆，形成构件连接器，亦可使用结点板。

（3）“抓握法”即将受拉的杆件的一段预留一定长度，对于圆形杆件将其一段剪成十字花形，然后将其粘结在另一根杆件上。（如图1所示）

（4）“留槎法”即将杆件的一段用工具磨成和它相连杆件的外表面的形状像契合的形状，使得两个杆件可以紧密连接。然后在外表面用纸张将结点包好。（如图2所示）

2.受压结点

结构构件一般具有足够的强度，在保证稳定性的前提下，其受压性能一般完全能满足受力需要。受压结点较受拉结点来说，抵抗破坏的能力也较好。在制作时，受压结点基本要领：保证结点处各杆件轴线处于同一平面内，且受压接触面务必充分接触。在设计时，对于一般的结点可采用的方法有“构件连接器法”和“留槎法”等。

2 竹制材料

竹制材料一般和可以在空气中微量水催化下发生加聚反应，迅速固化而将被粘物粘牢的胶水一起使用。每张竹皮纸都有一定纹路方向且方向单一，模型制作时，在赛题允许对纸张加工的条件下，对于不同受力情况下的结构构件制作要顺着纹路方向或垂直纹路方向进行裁剪，在保证强度的同时，减轻模型的自重，竹皮纸具有良好的抗拉性能，采用竹制材料做出来的构件也有很好的抗压性能，且有较好的韧性。

1.交叉结点

交叉结点在立体结构中较为常见，如高层建筑模型等，在桥梁结构中，一般为桥面设计中的纵横交叉。在制作时，需要制作者进行不断尝试，寻求较合适的连接方法。以矩形截面为例，一般在接触点分别开出槽口，然后将二者充分咬合连接。而槽口的开挖方法有多种形式，需根据实际选用。一些具体处理方法可参考如下：

（1）“贴薄片法”即在结点处只需要加一块薄片。其优点有：可以控制结点刚度，使得模型整体刚度增加，操作简单，在提高结点强度和模型整体刚度的同时，模型自重的增加却很小，贴薄片适合用于大多数情况。其缺点有：当结点受力较大的时候，模型可能会由于贴片处结点损坏而导致整体破坏。

（2）“加楔法”即在结点处的各个杆件之间加上楔子。其优点有：增大连接点之间的接触面积，使得相接于一点的各杆件之间的粘结更为牢固，能很好的控制各杆件在结点处的位移，从而控制了挠度。其缺点有：加工各种尺寸的小楔子费工又费力，相对于贴薄片法，加楔法不能很好控制结点处的刚度和模型的总体刚度。建议在受力较大的结点处，将加楔法与贴薄片法一起使用。

（3）“交错粘贴法”采用两构件表面重叠粘结的方法，即将结点处使用的竹片交错粘贴。其优点有：通过增大两杆件的有效接触面积消除结点过小的各种不利因素，提高构件间的稳定和刚度要求，此种做法有效地将各杆件连接在一起，将结点转变成结构本身的一部分。其缺点有：此种做法限制了杆件的角度，需要经过确切计算方可达到理想效果，另外因为是重叠粘接无形中增加了相应杆件的长度，对用料方面会有所增加。

（4）“拉竹条法”即利用竹条良好的韧性和强度将位于结构同一平面内的结点用竹条交叉粘结。其优点有：这种做法的好处是竹条质量轻，可将此结点处的荷载传递到其他处，大大减少了结点处的危险荷载。其缺点有：竹条只可传递拉力，可用于受拉力作用下，其他荷载作用形势下效果就不是很好了。

结构模型设计和制作中结点的处理起著至关重要的作用，进行结构模型制作时必须针对不同受力情况的结点采用不同的制作方法，良好的结点处理将使得制作出的结构模型具有轻质高强的特性。

参考文献

[1] 钱晓倩，詹树林.土木工程材料[M].杭州：浙江大学出版社，2003.