风荷载作用下交通指示牌支撑体系模型制作

史永涛+刘帅杰

摘 要：在2016年河南省结构设计竞赛中，结合多次参加结构竞赛的制作经验，对于风荷载作用下交通指示牌支撑体系杆件制作、节点连接方式，认为不仅影响结构外形美观，对结构能否成功也起着关键性的作用。针对大学生结构设计竞赛中竹纸杆件的制作，介绍了圆形、箱型、三角形3种截面形式，并介绍了节点“一”字型和交叉连接，结合不同的连接方式，从模型质量、制作的优缺点及模型破坏特征等方面对不同节点连接的影响进行了对比分析。

关键词：杆件制作；节点连接；交通指示牌；支撑体系

中图分类号：U491.5+2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.122

结构设计竞赛是土木工程专业培养大学生创新精神、团队意识和实践能力的较好的学科竞赛平台，大赛中也反映出一些模型制作方面的问题，集中表现在结构模型制作粗糙、节点连接不牢固等方面，从而导致参赛选手的制作结构不能充分发挥其作用。结构模型中，节点是各杆件的连接部位。只有节点连接牢固，各杆件才能协同工作，充分发挥各自的作用。如果节点连接不牢固，会导致结构中某个杆件承载力超过自身极限，进而导致模型破坏。节点的处理方式同样也影响模型的美观。

1 材料分析

近几年来，国内多项结构设计竞赛中多采用本色侧压单（双）层复压竹皮作为制作材料，所用竹皮纸规格厚度分别为0.2 mm、0.35 mm和0.5 mm。竹子韧性好，顺纹方向抗拉强度高，具有良好的力学性能。竹材参考力学指标如表1所示。

2 杆件截面选择与制作

利用竹皮纸能制作的杆件截面形式有薄壁式和实腹式2种。薄壁式杆件与实腹式杆件相比，自身质量轻，有利于减轻结构质量。薄壁式杆件可供选择的截面形式有圆形、箱型、三角形等。这里主要介绍这3种形式的截面制作方法。圆形截面用钢筋作为辅助工具来制作。需要注意的是，在制作过程中，要将胶水均匀地涂在竹皮纸上，利用胶水的黏结力提高制作杆件的承载力。箱型截面是将竹皮纸裁成所需要的尺寸，然后将其用胶水黏结在一起。在黏结完成后，用砂纸在黏结处轻微打磨后再涂一遍胶水，避免局部有开口。三角形截面制作方式同箱型截面，将黏结角度改为60°即可。

3 节点连接

通过对近几年结构竞赛中模型的观察发现，参赛队员对结构中节点的处理过于粗糙、简便，从而导致节点连接不够牢固，不仅影响了结构外形的美观，而且结构不能达到预期的承载力。比赛中，因节点连接不牢固导致最终加载失败的模型占大多数。以下是笔者在参赛过程中总结的节点连接方式及经验。

3.1 杆件“一”字型直线拼接

对于较长的杆件，需要采用2根较短的杆件拼接到一起的形式，以满足使用要求，适用于以上提到的所有截面。

对于相同截面，有以下2种方法可以将它们拼接到一起：①内插接。事先做好一个截面形式相同但截面尺寸比对接杆件小1 mm的长度约为20 mm的杆件，将其插入对接杆件中的一个，插入长度为其长度的一半，用502黏结牢固，再将另一杆件对接到上面，如图1所示。②外插接，如图2所示。

对于不同截面的杆件拼接，将截面小的杆件端部作加粗处理后插入另一截面大的杆件，用502黏结牢固即可，插接长度约15 mm。

3.2 交叉连接

交叉连接有“十”字形交叉、T形交叉和Y形交叉，它们的连接方式基本相同，并且有以下3种连接方式：①插接。将其中一根杆件的一侧作开洞处理，将另一杆件插入，用502黏结牢固即可，如图3所示。②对接。根据对接角度对杆件端口处作处理后，直接将其黏结到另一杆件上。此种方式黏结强度较低，适用于受力较小的地方，如图4所示。③贴片。将杆件按插接或对接连接后，在接口的地方作贴片处理，贴片宽度与对接杆件宽度相同，长度1～2 cm即可，如图5所示。

4 节点处理方式比较

结合风荷载作用下交通指示牌支撑体系模型研究，对以上所述节点处理方式进行实验对比。实验模型效果图如图6所示，比较结果如表2所示。

通过对实验结果进行分析比对得知，在整个结构中，如果全部采用插接方式，虽然节点连接非常牢固，但结构整体质量有所增加，所以经过对结构计算分析，可以根据节点受力方式的不同采取不同的连接方式。例如在仅受压力作用的节点，可以采用对接连接的方式；在受拉力的节点且拉力不大的情况下，可以采用贴片的方式连接；在其他特殊受力情况下，采用插接的方式。

5 结束语

结构模型制作中，杆件制作是否精细、节点连接是否牢固，直接关系制作模型能否达到预期的结果，也是对队员动手能力的考验。笔者结合自身的制作经验，详细介绍了常用杆件制作、节点连接工艺，并通过模型实验对不同节点连接从质量、制作难易程度及节点表现等各方面进行了综合比较，对同类型模型制作具有一定的借鉴意义。

当然，杆件截面选择及制作方式和节点的连接方式不仅仅限于以上提到的，杆件截面还可以选择“十”字形截面、多边形截面以及组合截面等，节点的连接方式也可以在榫卯连接的基础上加以改变。这些还有待大家去实验，去解决。

参考文献

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[2]于洋，姜峰，司炳君，等.關于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法[J].科技资讯，2008（02）：201-202.

[3]吴思宇.浅谈结构模型竞赛之桥梁结构设计[J].科技资讯，2009（04）：63-64.

作者简介：史永涛（1982—），男，讲师，安阳工学院土建学院指导教师，研究方向为结构设计及检测。刘帅杰，男，在校大四学生。

〔编辑：刘晓芳〕