【摘 要】在武漢大學第五屆結構設計大賽中，利用USSCAD設計軟件計算水平沖擊荷載作用下的模型內力，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計計算的模型制作成型，進行加載，通過結構模型的設計、制作與沖擊荷載試驗，了解結構在沖擊荷載作用下的破壞特點，探討提高結構抗沖擊性能的方法。
【關鍵詞】水平沖擊荷載；USSCAD；紙制模型
1、引言
1968年英國Ronan Point公寓發(fā)生連續(xù)倒塌事件以來，國外的連續(xù)倒塌方面的研究已經有近50年的歷史，近年來，結構在非常規(guī)荷載（如爆炸、撞擊等）作用下的連續(xù)倒塌（Progressive Collapse）越來越引起研究者和工程技術人員的重視。結構連續(xù)倒塌是指結構發(fā)生局部破壞而形成初始損傷后，結構發(fā)生內力重分布，引起結構的其它部分破壞，進而形成連鎖反應，最終導致結構局部或全部倒塌。國際上，影響最大的連續(xù)倒塌事件就是2001年9月11日美國發(fā)生的“911”事件。
2、結構設計及加載要求
1、結構模型分為三層，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沖擊荷載。選手自行設計連接方案（僅限于提供的材料），用于連接拉鉤以施加水平沖擊荷載。水平沖擊荷載加載點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、豎向荷載塊與保護繩索相連，結構破壞前繩索不受力。
5、模型先施加豎向荷載，然后拔去插銷，使水平沖擊荷載塊自由下落后施加沖擊荷載。
6、加載過程中不允許選手身體接觸模型。
3、加載設備說明
1、加載設備主要由沖擊裝置（支架、拉鉤、滑輪、插銷、套環(huán)等）、固定裝置（工作臺、鋼板、鋼壓條等）及保護裝置等組成。
2、豎向荷載塊單塊尺寸為210mm×50mm×15mm（長×寬×厚），質量約為1.23kg。每層荷載塊放置數(shù)量自行確定，總質量不超過15kg。
3、豎向荷載塊由繩索與保護裝置相連，以保護人員和設備的安全。
4、模型概念設計
（1）、模型采用傳統(tǒng)三層框架結構，由于水平沖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有關，但是在本模型制作過程中，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，在本模型的內力計算中統(tǒng)一選取E=2000Mpa。
5.3、荷載情況
恒載：15kg荷載塊全部置于結構最高層
沖擊荷載：5kg砝碼，10cm下落高度，產生沖擊力，考慮到模型剛度以及之前的實驗結果，將沖擊荷載放大10倍進行計算。
荷載組合及組合號：
1 1.00×1.00永久荷載+1.00×1.00沖擊
6、模型制作
前述結論均為理論分析結果，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算假定是至關重要的一部分。在制作過程中要嚴格按照設計要求進行制作，同時，在實踐中不斷發(fā)現(xiàn)更好的制作工藝，對制作方式進行改良，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，桿件的強度的大小與結構強度的大小有著直接關系。卷制桿件中要注意的事項有：
1）、順著白卡紙的紋路卷出的桿件，力學性能更加好，各層之間粘結較好，且易于卷制。
2）、卷制桿件過程中，要注意每層白卡紙都要粘結均勻牢固，邊卷制邊按壓，使層與層之間更好的粘結。
3）、卷制桿件過程中白乳膠的厚度要在能夠將兩層白卡紙粘結牢固的前提下盡量薄而均勻，減少桿件的質量，也能在一定程度上防止由于白乳膠過多導致桿件易受潮。
�。�2）、模型的拼接
模型拼接過程中利用模型各個視圖的投影進行拼接，保證平面圖形的繪制準確。拼接時嚴格按照投影并充分利用直角關系，保證模型梁和柱互相垂直，防止加載過程中由于質量中心與剛度中心不重合而發(fā)生扭轉現(xiàn)象。
�。�3）、節(jié)點的處理
節(jié)點是結構易于出現(xiàn)破壞的位置之一，節(jié)點處將梁端均勻的分成四份，涂刷白乳膠包住柱子，按壓并使用吹風機直至白乳膠初步凝結，在之后的拼接工作中要時刻注意不要讓節(jié)點承受過大的力，以保證節(jié)點處連接牢固，傳力可靠。
�。�4）、模型的完善
在模型的制作過程中難免遇到許多問題和失誤，此時要結合具體情況進行大概的計算，進行彌補，如果需要對計算書進行修改，則需要重新驗算，直至所有項目都滿足要求。
�。�5）、模型制作過程中要注意干凈整潔，外形均勻統(tǒng)一。
