【摘 要】在武漢大學(xué)第五屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中，利用USSCAD設(shè)計(jì)軟件計(jì)算水平?jīng)_擊荷載作用下的模型內(nèi)力，得到用料最少且能夠承受規(guī)定荷載的模型，并利用白卡紙和白乳膠將設(shè)計(jì)計(jì)算的模型制作成型，進(jìn)行加載，通過(guò)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、制作與沖擊荷載試驗(yàn)，了解結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的破壞特點(diǎn)，探討提高結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的方法。
【關(guān)鍵詞】水平?jīng)_擊荷載；USSCAD；紙制模型
1、引言
1968年英國(guó)Ronan Point公寓發(fā)生連續(xù)倒塌事件以來(lái)，國(guó)外的連續(xù)倒塌方面的研究已經(jīng)有近50年的歷史，近年來(lái)，結(jié)構(gòu)在非常規(guī)荷載（如爆炸、撞擊等）作用下的連續(xù)倒塌（Progressive Collapse）越來(lái)越引起研究者和工程技術(shù)人員的重視。結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是指結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞而形成初始損傷后，結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，引起結(jié)構(gòu)的其它部分破壞，進(jìn)而形成連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部或全部倒塌。國(guó)際上，影響最大的連續(xù)倒塌事件就是2001年9月11日美國(guó)發(fā)生的“911”事件。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加載要求
1、結(jié)構(gòu)模型分為三層，總高度不小于
600 mm。
2、模型第二層樓面高度為400±3 mm，在此高度上施加水平?jīng)_擊荷載。選手自行設(shè)計(jì)連接方案（僅限于提供的材料），用于連接拉鉤以施加水平?jīng)_擊荷載。水平?jīng)_擊荷載加載點(diǎn)至滑輪中心的水平距離為350 mm，插銷孔洞中心至套環(huán)的垂直距離為100 mm（即沖擊高度約為100 mm）。
3、每層平面尺寸必須大于200 mm×200
mm。
4、豎向荷載塊與保護(hù)繩索相連，結(jié)構(gòu)破壞前繩索不受力。
5、模型先施加豎向荷載，然后拔去插銷，使水平?jīng)_擊荷載塊自由下落后施加沖擊荷載。
6、加載過(guò)程中不允許選手身體接觸模型。
3、加載設(shè)備說(shuō)明
1、加載設(shè)備主要由沖擊裝置（支架、拉鉤、滑輪、插銷、套環(huán)等）、固定裝置（工作臺(tái)、鋼板、鋼壓條等）及保護(hù)裝置等組成。
2、豎向荷載塊單塊尺寸為210mm×50mm×15mm（長(zhǎng)×寬×厚），質(zhì)量約為1.23kg。每層荷載塊放置數(shù)量自行確定，總質(zhì)量不超過(guò)15kg。
3、豎向荷載塊由繩索與保護(hù)裝置相連，以保護(hù)人員和設(shè)備的安全。
4、模型概念設(shè)計(jì)
（1）、模型采用傳統(tǒng)三層框架結(jié)構(gòu)，由于水平?jīng)_擊力方向單一且作用在模型正面2
理論上，材料的彈性模量只與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，但是在本模型制作過(guò)程中，由于桿件層數(shù)不同使得不同層數(shù)的桿件所用白乳膠與白卡紙的關(guān)系不同，因此，不同層數(shù)的桿件彈性模量也不盡相同，在本模型的內(nèi)力計(jì)算中統(tǒng)一選取E=2000Mpa。
5.3、荷載情況
恒載：15kg荷載塊全部置于結(jié)構(gòu)最高層
沖擊荷載：5kg砝碼，10cm下落高度，產(chǎn)生沖擊力，考慮到模型剛度以及之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將沖擊荷載放大10倍進(jìn)行計(jì)算。
荷載組合及組合號(hào)：
1 1.00×1.00永久荷載+1.00×1.00沖擊
6、模型制作
前述結(jié)論均為理論分析結(jié)果，模型是否能夠承受比賽要求的恒載和沖擊荷載，手工制作水平是否符合計(jì)算假定是至關(guān)重要的一部分。在制作過(guò)程中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行制作，同時(shí)，在實(shí)踐中不斷發(fā)現(xiàn)更好的制作工藝，對(duì)制作方式進(jìn)行改良，以得到受力性能更好的模型。
�。�1）、桿件的卷制。使用同等重量的材料，桿件的強(qiáng)度的大小與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小有著直接關(guān)系。卷制桿件中要注意的事項(xiàng)有：
1）、順著白卡紙的紋路卷出的桿件，力學(xué)性能更加好，各層之間粘結(jié)較好，且易于卷制。
2）、卷制桿件過(guò)程中，要注意每層白卡紙都要粘結(jié)均勻牢固，邊卷制邊按壓，使層與層之間更好的粘結(jié)。
3）、卷制桿件過(guò)程中白乳膠的厚度要在能夠?qū)蓪影卓堈辰Y(jié)牢固的前提下盡量薄而均勻，減少桿件的質(zhì)量，也能在一定程度上防止由于白乳膠過(guò)多導(dǎo)致桿件易受潮。
（2）、模型的拼接
模型拼接過(guò)程中利用模型各個(gè)視圖的投影進(jìn)行拼接，保證平面圖形的繪制準(zhǔn)確。拼接時(shí)嚴(yán)格按照投影并充分利用直角關(guān)系，保證模型梁和柱互相垂直，防止加載過(guò)程中由于質(zhì)量中心與剛度中心不重合而發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
�。�3）、節(jié)點(diǎn)的處理
節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)易于出現(xiàn)破壞的位置之一，節(jié)點(diǎn)處將梁端均勻的分成四份，涂刷白乳膠包住柱子，按壓并使用吹風(fēng)機(jī)直至白乳膠初步凝結(jié)，在之后的拼接工作中要時(shí)刻注意不要讓節(jié)點(diǎn)承受過(guò)大的力，以保證節(jié)點(diǎn)處連接牢固，傳力可靠。
�。�4）、模型的完善
在模型的制作過(guò)程中難免遇到許多問(wèn)題和失誤，此時(shí)要結(jié)合具體情況進(jìn)行大概的計(jì)算，進(jìn)行彌補(bǔ)，如果需要對(duì)計(jì)算書(shū)進(jìn)行修改，則需要重新驗(yàn)算，直至所有項(xiàng)目都滿足要求。
（5）、模型制作過(guò)程中要注意干凈整潔，外形均勻統(tǒng)一。
