罗雯
吉首大学张家界学院 湖南 张家界 427000
摘 要：结构设计是一门涉及面非常广的学问。设计中包含了对多种类型知识的获取、加工、处理、集成、转化、交流、融合和传递。纸模是一种趣味性很强的纸做模型，具有良好的可塑性，相对其他材料而言，更有无法比拟的轻巧、造价低的优点，用纸与白乳胶的结合，其硬度更是得到了更大的提升，可以增加其受力与抗弯性能。纸质T形双悬臂结构模型，模拟在竖向和水平荷载的作用下结构的受力分析。可以培养空间受力分析能力，别具一格且具有挑战性。
关键词：结构设计；纸质T形；双悬臂；空间受力
建筑学家安东尼.安东尼亚德斯说[1]:“建筑需要有能力的综合主义者、有能力的分析者和有能力的片段工笔者……”比尔.阿迪斯说:“结构的方方面面都是相关联的，结构工程师是唯一了解它们之间关系的人。”设计工作是一个起始性、定向性、指导性的环节，具有特殊的重要性，在某种意义上也可以说设计是对工程建造、运行过程进行先期虚拟化的过程。结构设计中需要放弃复杂笨重的结构形式，尽可能地节约材料，发挥材料的力学性能，使结构能合理地受力和传力，符合自然规律的简洁力学美感。纸模结构的设计理念中，通过整个结构从上往下荷载传递机制，梁受压传递至斜压杆，其将力从墩上下贯通，并将主梁的竖载通过斜杆传至柱墩，再通过柱墩传至基座，基座以受压为主。我们的设计理念是通过合理设计模型的结构形式和截面形式，以尽量少的构件及材料，获得较合理的刚度以及稳定性，保证结构的整体稳定性。结构设计成桁架结构，模型结构由下部基础、墩和上部梁三部分结构组成。整个模型的杆件通过白乳胶连接，通过合理的设计及制作成双悬臂结构，实现较大的结构强度、刚度、挠度以及稳定要求，以承载重量压力的作用，同时尽可能的减少材料使用量。模型正立面呈 T 形，模型总高度 500mm，总长度 700mm，墩高度 200mm，基础高度 200mm。为了避免结构纵向拉力导致偏心，在双臂利用三角形的稳定性和增加斜杆来提高结构稳定性。我们的目标是以“稳健，高效”为核心，力求“创意，简约，便捷，优雅”。
1.结构选型及设计
在模型计算、制作和实验过程中，我们发现不同模型都有自己的优缺点，从质量、结构整体稳定性及美观等方面考虑，找出较为合理的结构类型。在整个设计过程中，我们把组合框架矩形结构体系改变成变截面梯形框架结构体系：用左右两根斜杆共四根斜杆支撑连接上层，不需要梁的下部来传力，在各杆件连接处增加拉条，可以减轻整个模型的重量，并增加其稳定性。同时为了增加下面柱子的稳定性，在一定的位置用拉条进行了环箍。最后，我们用纸张垫在柱脚处，用胶水固结，从而增加了结构的整体性。白卡纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗压稳定性差。将纸折成圆筒并用乳胶粘接后做成的柱子和纸折成矩形的梁具有突出的极限承载能力和荷重比。一般情况下粘贴构件的卡纸选取2层～3层最为合理。节点构造-支座节点：支座是模型的基础部分，在加载测试中，模型基础被埋在沙里，有沙子对基础部分进行保护，基础部分的前侧用纸板起到稳固基础的作用，在结构中的部位及其构造实体图如图1.1所示。相贯节点构造-“强节点弱构件”的思想一直贯穿于整体设计中，节点贴片法：通过在节点处粘贴卡纸从而使节点部位处局部加厚增加结构的刚度。在每个梁柱相接的地方采用了切凹槽的方法，能有效地使杆件之间更好地贴合。梁端顶面（或底面）与柱侧面紧密粘结在一起，形成一个受力良好的节点。柱顶的竖向荷载很大，且柱很高，容易在柱顶斜拉杆与外上斜拉杆接点处被拉脱和在柱中产生较大弯矩。所以我们采用的是直接连接斜拉杆的方式来加强。
2.结构的受力分析及截面设计
结构面板采用蒙皮通过热熔胶固定于两端立柱和横梁上，借鉴钢结构屋面板的蒙皮效应-蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内变形荷载的抵消作用。考虑柱与蒙皮连接的节点约束取为理想固结约束。2.所有结构构件均在弹性范围内工作，即计算时不考虑结构的材料非线性。
3.模型结构的前榀双柱与加载装置底座采用压条锚固的形式进行连接，这种连接方式比较牢固可靠，可简化为固定端支座。4.结构模型加载顺序为先竖向荷载后水平荷载，竖向荷载采用由下至上的顺序，水平荷载采用分级加载，共分为四级。
3.结构的有限元分析
（1）在跨中竖向集中荷载10kg的作用下，结构水平的水平最大位移为0.7mm。以上计算结果表明各构件的强度、刚度、稳定性、都满足设计要求。所以此设计是合理可行的。
(2)在第一步施加荷载作用下，左跨施加集中荷载5kg，结构水平的水平最大位移为2.8mm。以上计算结果表明各构件的强度、刚度、稳定性、都满足设计要求。所以此设计是合理可行的。
(3)在第二步施加荷载的作用下，右跨施加集中荷载5kg，结构水平的水平最大位移为5.7mm。以上计算结果表明各构件的强度、刚度、稳定性、都满足设计要求。所以此设计是合理可行的。
(4)在保持偏心荷载的作用下，施加水平冲击荷载，结构水平的水平最大位移为8.1mm。以上计算结果表明各构件的强度、刚度、稳定性、都满足设计要求。所以此设计是合理可行的。
通过纸质T形结构的设计，学会了（1）学会选型（2）考虑问题的全面性、综合性。（3）变通的能力。法国花匠最早发明的钢筋混凝土与现代结构工程上广泛使用的钢筋混凝土之间存在着本质的区别。如果没有大量的试验研究和理论分析，经验的深化和总结，钢筋混凝土就不能广泛的运用。我们在设计过程中会发现问题，解决问题的过程中进行了实践，理论与实际结合。那些仅仅具有一般科学知识和掌握一般科学方法的人不可能承担和完成真正的工程设计任务。（4）创新，依靠创新，人类摆脱了史前的愚昧文化，迈进文明的门槛；依靠创新，人类社会不断发展进步。
参考文献
[1] [希腊]安东尼.C.安东尼亚德斯.建筑学及相关学科（原著第三版）[M].崔昕,汪丽君,舒平译.北京;中国建筑出版社,2009
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[5] 林同炎（美）,斯多台斯伯利（美）.结构概念和体系（第二版）[M], 北京: 中国建筑工业出版社, 1999.
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[7] 黄双华主编.《房屋结构设计》.庆大学出版社,2001.
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[9] 《结构力学》,文国治主编.重庆:重庆大学出版社,2008.
[10] 《混凝土结构》（上、中册）[M],东南大学、同济大学等主编,中国建筑工业出版社,2003年6月.
作者简介：罗雯，女（土家族），湖南省张家界市人，湖南科技大学本科，研究生，中级职称。研究的方向：结构工程。2014年在吉首大学张家界学院任教至今，所教课的方向为混凝土结构设计原理和混凝土结构设计。