水平冲击荷载下的建筑结构模型设计

 【摘 要】在武汉大学第五届结构设计大赛中，利用USSCAD设计软件计算水平冲击荷载作用下的模型内力，得到用料最少且能够承受规定荷载的模型，并利用白卡纸和白乳胶将设计计算的模型制作成型，进行加载，通过结构模型的设计、制作与冲击荷载试验，了解结构在冲击荷载作用下的破坏特点，探讨提高结构抗冲击性能的方法。 

　　【关键词】水平冲击荷载；USSCAD；纸制模型 

　　1、引言 

　　1968年英国Ronan Point公寓发生连续倒塌事件以来，国外的连续倒塌方面的研究已经有近50年的历史，近年来，结构在非常规荷载（如爆炸、撞击等）作用下的连续倒塌（Progressive Collapse）越来越引起研究者和工程技术人员的重视。结构连续倒塌是指结构发生局部破坏而形成初始损伤后，结构发生内力重分布，引起结构的其它部分破坏，进而形成连锁反应，最终导致结构局部或全部倒塌。国际上，影响最大的连续倒塌事件就是2001年9月11日美国发生的“911”事件。 

　　2、结构设计及加载要求 

　　1、结构模型分为三层，总高度不小于 

　　600 mm。 

　　2、模型第二层楼面高度为400±3 mm，在此高度上施加水平冲击荷载。选手自行设计连接方案（仅限于提供的材料），用于连接拉钩以施加水平冲击荷载。水平冲击荷载加载点至滑轮中心的水平距离为350 mm，插销孔洞中心至套环的垂直距离为100 mm（即冲击高度约为100 mm）。 

　　3、每层平面尺寸必须大于200 mm×200 

　　mm。 

　　4、竖向荷载块与保护绳索相连，结构破坏前绳索不受力。 

　　5、模型先施加竖向荷载，然后拔去插销，使水平冲击荷载块自由下落后施加冲击荷载。 

　　6、加载过程中不允许选手身体接触模型。 

　　3、加载设备说明 

　　1、加载设备主要由冲击装置（支架、拉钩、滑轮、插销、套环等）、固定装置（工作台、钢板、钢压条等）及保护装置等组成。 

　　2、竖向荷载块单块尺寸为210mm×50mm×15mm（长×宽×厚），质量约为1.23kg。每层荷载块放置数量自行确定，总质量不超过15kg。 

　　3、竖向荷载块由绳索与保护装置相连，以保护人员和设备的安全。 

　　4、模型概念设计 

　　（1）、模型采用传统三层框架结构，由于水平冲击力方向单一且作用在模型正面2 

　　理论上，材料的弹性模量只与材料本身的性质有关，但是在本模型制作过程中，由于杆件层数不同使得不同层数的杆件所用白乳胶与白卡纸的关系不同，因此，不同层数的杆件弹性模量也不尽相同，在本模型的内力计算中统一选取E=2000Mpa。 

　　5.3、荷载情况 

　　恒载：15kg荷载块全部置于结构最高层 

　　冲击荷载：5kg砝码，10cm下落高度，产生冲击力，考虑到模型刚度以及之前的实验结果，将冲击荷载放大10倍进行计算。 

　　荷载组合及组合号： 

　　1 1.00×1.00永久荷载+1.00×1.00冲击 

　　6、模型制作 

　　前述结论均为理论分析结果，模型是否能够承受比赛要求的恒载和冲击荷载，手工制作水平是否符合计算假定是至关重要的一部分。在制作过程中要严格按照设计要求进行制作，同时，在实践中不断发现更好的制作工艺，对制作方式进行改良，以得到受力性能更好的模型。 

　　（1）、杆件的卷制。使用同等重量的材料，杆件的强度的大小与结构强度的大小有着直接关系。卷制杆件中要注意的事项有： 

　　1）、顺着白卡纸的纹路卷出的杆件，力学性能更加好，各层之间粘结较好，且易于卷制。 

　　2）、卷制杆件过程中，要注意每层白卡纸都要粘结均匀牢固，边卷制边按压，使层与层之间更好的粘结。 

　　3）、卷制杆件过程中白乳胶的厚度要在能够将两层白卡纸粘结牢固的前提下尽量薄而均匀，减少杆件的质量，也能在一定程度上防止由于白乳胶过多导致杆件易受潮。 

　　（2）、模型的拼接 

　　模型拼接过程中利用模型各个视图的投影进行拼接，保证平面图形的绘制准确。拼接时严格按照投影并充分利用直角关系，保证模型梁和柱互相垂直，防止加载过程中由于质量中心与刚度中心不重合而发生扭转现象。 

　　（3）、节点的处理 

　　节点是结构易于出现破坏的位置之一，节点处将梁端均匀的分成四份，涂刷白乳胶包住柱子，按压并使用吹风机直至白乳胶初步凝结，在之后的拼接工作中要时刻注意不要让节点承受过大的力，以保证节点处连接牢固，传力可靠。 

　　（4）、模型的完善 

　　在模型的制作过程中难免遇到许多问题和失误，此时要结合具体情况进行大概的计算，进行弥补，如果需要对计算书进行修改，则需要重新验算，直至所有项目都满足要求。 

　　（5）、模型制作过程中要注意干净整洁，外形均匀统一。