【摘 要】在武漢大學第五屆結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中，利用USSCAD設(shè)計軟件計算水平?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)計計算的模型制作成型，進行加載，通過結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計、制作與沖擊荷載試驗，了解結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的破壞特點，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(jīng)有近50年的歷史，近年來，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，進而形成連鎖反應(yīng)，最終導致結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計及加載要求 

　　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(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、加載過程中不允許選手身體接觸模型。 

　　3、加載設(shè)備說明 

　　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、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(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15kg。 

　　3、豎向荷載塊由繩索與保護裝置相連，以保護人員和設(shè)備的安全。 

　　4、模型概念設(shè)計 

　�。�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驗結(jié)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(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算假定是至關(guān)重要的一部分。在制作過程中要嚴格按照設(shè)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(jié)構(gòu)強度的大小有著直接關(guān)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(jié)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(jié)均勻牢固，邊卷制邊按壓，使層與層之間更好的粘結(jié)。 

　　3）、卷制桿件過程中白乳膠的厚度要在能夠?qū)�兩層白卡紙粘結(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(guān)系，保證模型梁和柱互相垂直，防止加載過程中由于質(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)點的處理 

　　節(jié)點是結(jié)構(gòu)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(jié)，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(jié)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。