胡羽佳

(山西大學附屬中學校，山西 太原030002)

1 方案與構思

本次的課題有三個，即承受最大荷載15kg，在承受荷載的狀況下水平拉動5 mm 位移以及在形變5 mm 位移的狀況下自由振動直到停止，而且應當保持在構件不破壞的情況下重量最輕，所以本次的要求對剛度與強度都提出了要求，即豎向強度要大，而水平剛度要小，節(jié)點剛度較大，這樣才能夠較好地承擔豎向力與水平力的作用。在我們的生活當中，最常見到的房屋結構形式是框架結構、框筒結構與剪力墻結構，其中框架結構的水平剛度最小，而豎向承載能力差別不大，因此優(yōu)先考慮木框架結構來完成本次的模型分析。

2 桐木材料的性能分析

本研究所采用的材料為桐木材料，桐木結構具有質(zhì)量輕、強度高的特性，但是具體到實際的模型制作當中，則需要考慮材料的各向異性，木材的紋理以及受力方向等，這些材料的性能直接會影響到構件的穩(wěn)定性，從而影響整個結構的受力，因此，筆者在制作之前，對結構的受力性能、重量進行了實際的量測，測量情況如下。

桐木結構的彈性模量:制作之前應當對結構材料的彈性模量進行實際量測，因為如果彈性模量不一致，那么在均勻受力的條件之下，每一根木柱的壓力相同，壓縮值不一致，就會造成整個模型的偏心受壓，產(chǎn)生傾覆力矩，導致整個模型的傾斜與坍塌，桐木結構的彈性模量用激光位移計與壓力計進行，共量測十組數(shù)據(jù)，剔除異常值以后取平均值作為彈性模量的代表值，可得2 ×2 mm 的桐木桿件的彈性模量約為1 272.66 MPa，因此木條的強度是足夠支撐15 kg 的重量的。

桐木結構的重量:在實際的材料當中，同樣規(guī)格的木構件由于木材密度的分布情況不同，其重量也有差異，如果同樣做四根受力柱，那么質(zhì)量輕的一根一定是最容易產(chǎn)生形變甚至損壞的，因此在制作當中應當保證受力柱重量的一致。該組試驗當中，量測得2 ×2 mm 柱的平均重量為1.3 g，因此選取柱材料的時候，應當按照偏差不大于0.1 g 選取，而2 ×4 mm 的柱平均重量為2.5 g，所以也應當在選材時按照偏差不大于0.1 g 選取。

膠水的選擇:在市面上的502 膠水有多種品牌，但是經(jīng)過多次試驗表明，不同廠家生產(chǎn)的膠水性能差異較大，有的膠水可以在瞬間把兩個結構粘結在一起，強度也能夠保證受力需要，但是有的膠水則很難保證受力，粘結時間也較長，本次實驗經(jīng)過比選，選擇開拓者牌號的502 膠水當作試驗專用膠水，強度較大，在試驗過程中，也未出現(xiàn)過由于節(jié)點破壞而導致的試驗失敗現(xiàn)象。

3 受力構件截面尺寸分析

根據(jù)受力計算，2 ×2 mm 的桐木條豎向受壓強度是足夠的，因此理論上15 kg 的重量，一根2 ×2 mm 的柱便可以承擔，但是在實際模型當中，需要考慮的一個因素就是長細比，這與結構當中的理論也是一樣的，柱子不怕壓，但是一旦出現(xiàn)彎曲，就會產(chǎn)生二次力矩，而且一根柱子發(fā)生形變會造成整個結構的整體扭轉(zhuǎn)，這樣結構就會坍塌。所以，如何保證柱不產(chǎn)生撓度、結構不發(fā)生扭轉(zhuǎn)是研究的關鍵所在。

4 模型受力結構體系的設計

為了保證強度以及剛度的要求，本次模型選用框架結構，采用2 ×4 mm 的角柱，共分三層，由于模型要求地上部分不大于500 mm，因此層高分別為180 mm，160 mm，160 mm，地基基礎采用條形基礎，基礎之間用2 ×2 mm 木條連接，形成整體。梁采用2 ×4 mm 的梁，由于體系剛度要求較小，因此梁不設置在柱中間，而是用粘貼的方式設置在柱外側，同時在柱頂與柱腳之間采用2 ×2 mm 的木條進行斜向連接，防止平面扭轉(zhuǎn)，樓板用細木條搭設，形成受力框架模型。這樣的結構有較好的承載能力，柱的長細比也滿足受力要求，剛度也較小。

5 模型的制作要點

受力體系設計好以后，最為重要的就是模型的實際制作。因為所使用的材料都比較細小，因此想要加工好，需要嫻熟的技巧和不斷的練習，針對質(zhì)地比較堅硬的桐木條，應當采用工具刀不斷地切割，而對于較軟的桐木條可以使用刀用力往下按，避免來回搓動造成切割截面的損傷。為了使得不同的構件能夠很好地連接在一起，在構件截取好之后需要對端部進行仔細的加工，比如用砂紙打磨，使構件端面完整平滑，便于粘貼，或者切出斜面，能夠增加粘貼的面積，增加成功率等等。

6 結 論

經(jīng)過多次的加載試驗，并對比分析各次試驗結果，證實了框架結構采用角柱與斜撐體系能夠保證重量輕、受力性能優(yōu)秀等特點。從模型構件的受力體系與受力性能角度出發(fā)，對結構的選型、設計、優(yōu)化，具有很強的實用性與指導意義。

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