结构设计大赛相关资料

第２６卷第１０期

２００７年ｌＯ月

实验室研究与探索

ＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴｌ０ＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ

Ｖ０１．２６Ｎｏ．１０Ｏｅｔ．２００７

结构设计大赛材料性能试验

刘承斌，

王步宇，

孙凤钢，

赏星云

（浙江大学土木系，杭州３１００２７）

摘要：介绍了结构大赛用的巴西白卡纸和蜡线的力学性能试验，比较了各种不同层数和股数材料的力

学性能，并得出了一些有用的结论，希望对以后的结构大赛材料性能试验有所启发。关键词：结构大赛；白卡纸；蜡线；力学性能中图分类号：ＴＵ３１７＋．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００６—７１６７（２００７）１０—０１７８—０３

Ｍａｔｅｒｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ

ＬＩＵＣｈｅｎｇ—ｂｉｎ，

ＷＡＮＧＢｕ－ｙｕ。ＳＵＮＦｅｎｇ—ｇｏｎｇ，ＳＨＡＮＧＸｉｎ—ｙｕｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，３１００２７）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｗｈｉｔｅ—ｃａｒｄｂｏａｒｄａｎｄｗａｘ—ｗｉｒｅｕｓｅｄｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｖｅｌｎｕｍｂｅｒｓｍａｔｅｒｉａｌｇａｉｎｅｄ．Ｉｔｍａｙｂｅｈｅｕｒｉｓｔｉｃ

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ｏｔｈｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ；ｗｈｉｔｅ—ｃａｒｄｂｏａｒｄ；ｗａｘ－ｗｉｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：ＴＵ３１７＋．９

Ｄｏｃｕｍｅｎｔｃｏｄｅ：Ａ

Ａｒｔｉｃｌｅ

ＩＤ：１００６—７１６７（２００７）１０—０１７８—０３

土木工程是一门实践性很强的学科，目前国内许多高校为了多方面培养大学生的创新思维和动手能力，培养团队协作精神，增强大学生的工程结构设计与实践能力，丰富校园科研与学术氛围，进行了各式各样结构的模型设计。大赛的内容，一般为给定某种材料，要求参赛者在一定时间内设计并制作出一个结构，通过承载能力试验，以荷重比最大者优胜，再综合考虑各项因素决出获奖等级。材料方面，南方一般采用白卡纸，北方偏向于木材。至于结构，诸如高层建筑模型，简支桥梁模型，大跨屋架模型等。此类大赛是一个很好的创新平台。浙江大学已经成功举办了多届结构大赛，本文结合２００５年６月在浙江大学举行的全国第一届结构设计大赛介绍材料的力学性能指标试验，为学生设计和加工结构模型提供理论依据。

和二层制作试样，大于一层的试样中间利用胶粘结，尺寸为３

ｅｍｘ２０

ｅｍ，各制作三个。纸抗压试验分圆柱抗

压和方柱抗压，圆柱抗压实验：测定内径为２２ｍｍ的圆柱，２３０ｇ纸（高度分１０

３０ｅｍ，３５

ｅｍ，１５ｅｍ，２０ｃｍ，２５ｃｍ，

ｅｍ）极限抗压强度。

方柱抗压实验：测定２３０ｇ两层、三层白卡纸１极限抗压强度，尺寸同圆柱的柱高。蜡线分１股，２股，３股，４股，５股，８股，分别测定蜡线的极限抗拉强度值。１．２试验步骤１．２．１纸的抗拉实验

（１）试件的制作：单层纸直接裁成所需尺寸，两层纸先粘在一起，后裁取所需尺寸；

（２）加载过程：将纸直接夹在试验仪器的抗拉部位，两端多夹几层纸以固定，夹紧后直接加载，直到纸破坏，记录极限抗拉强度值，完成后取下，进行下一组试验。

１．２．２绳的抗拉实验

（１）试件的制作：取２０ｅｍ长的绳若干段，搓成所需股数，搓好后浸入白胶以加强其整体性；

（２）加载过程：将试验仪器的抗拉部位进行改造，使其可以测定绳的抗拉强度。降低抗拉仪器的位置，使两固定端相距离１０ｅｍ，固定绳，开始加载直到破

１材料和试验步骤

１．１试样

模型制作材料为２３０克巴西白卡纸、蜡线、白胶和透明纸（透明纸仅用于制作外墙）。白卡纸抗拉分一层

收稿日期：２００７—０５—１０

作者简介：刘承斌（１９７８一），男，浙江人，硕士。

第ｌＯ期

刘承斌，等：结构设计大赛材料性能试验

１７９

坏，记录极限抗拉强度，取下后做下一组试验。１．２．３柱的抗压实验

（１）试件的制作：用四条长矩形粘结而成，中间每

隔１０ｃｍ用加劲肋固定增强整体性；

从表１可以看出，白卡纸的极限受拉力随着层数的增加而变大，但从图１得到，其极限拉应力随层数的增加而变小，二层的拉应力达到四层的２倍。

（２）加载过程：将试件放置试验仪的抗压部位，操作仪器，使两端固定，后以１ｍｍ／ｍｉｎ的速度加载，直到破坏，记录极限破坏强度。

２试验结果及分析

不同层数白卡纸受拉试验结果见表１。

表１极限拉力数据

自卡纸层数

图１

白卡纸拉应力同层数关系

白卡纸抗压试验结果如下：

从表２、表３可以看出，同受拉一样，随着层数的增加，极限承载力变大，破坏形态各异；随着试样高度的增加，极限承载力变小，主要由于压杆失稳的缘故。比较表２和表３发现，圆柱的极限承载力要普遍大于同等尺寸的方柱，说明圆柱有较高的整体性，加工时不易产生缺陷。

不同股数蜡线的极限受拉结果见表４。

表２直径２０ｍｍ圆柱试件抗压数据

高度

１０１５２０２５３０３５

３

层数极限承载力／Ｎ

５７４．２４５０８．８４８５６１．８６３５２５．２２７４９８．５６５４９０．００６

破坏形态端部纸变软没有明显破坏内部粘结破坏端部纸变软

端部纸变软

层数极限承载力／Ｎ

３１９．２２９２．７２３

破坏形态端部纸变软

开胶不明显的失稳端部纸变软端部纸变软端部纸变软

２

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端部纸变软

表３边长２０ｍｍ方柱试件抗压数据

高度

１０１５２０２５３０３５

３

层数极限承载力／Ｎ

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破坏形态层数极限承载力／Ｎ

２８３．３６４１４８．８８６

破坏形态端部压坏端部胶开裂端部胶开裂

中部胶开裂

端部四周接缝处胶开裂

中部胶开裂端部四周接缝处胶开裂端部四周接缝处胶开裂

端部折断颈部开胶

２

２５８．６１１１８６．６３１

’／１４８．８２５

软件出错端部胶开裂

表４蜡线极限拉力数据

从上表知道，随着股数增加，蜡线极限拉力数值提高很快，但４股和５股的极限拉力相差不大，说明到了第４股后，由于不同股同时作用协调性差，增加股数提

（下转第１８２页）

实验宣开究与撂索

第１６＃

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劳损伤外，还应适当考虑与时间相关的蠕变氧化损伤，试验结果分析为准确进行高温多轴疲劳寿命预测提供了可靠的试验依据．因此在进行无保时高温多轴疲劳寿命预测时．蠕变氧化损伤的作用也需适当考虑。

３结论

（１）ＧＨ４１６９镰基高强台金的高温多轴低周疲劳拉扭分量应由应变迟滞迥线形状与试件的加载波形和加载路径相关。高温循环加载下．随循王；ｆ＝次数增加．塑性应变量不断增加。

（２）根据不同应变值Ｆ的疲劳断口形貌差异和能谱分析结果推断高温多轴循环加载下存在蠕变剩氧化损伤。

参考文献（ＲｅｆｅｒｅＢｃｅｓ

田４试件疲劳断口的Ｘ射线骺谱分析

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高不了多少的极限拉力。同时，在试验中发现：白腔似乎起到了负作用，随着力的增加，白胶脱落，而且使多股线受力不均匀，破坏时是…鹅股先断，使承载力降低．因此建议蜡线不要用腔粘结。

力的增加，自胶脱落．而且使多股绳受力不均匀．破坏时是一两股先断．使承载力降低．固此建议用绳对不要用腔帖结。

（３）在柱的抗压实验中．可以看出圆柱比方柱有更高的承载力，而且对手工有更高的要求。参考文献｛Ｒｅｆｅｒ、ｅｎｃｅｓｌ：

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２００３

３结语

（Ｉ）在纸的抗拉宴验中，腔到了很大的作用．两层纸的抗拉强度（中间牯腔）是四层纸抗拉强度的２性ｊ

（２）在绳的抗拉实验中．白腔起到了负作用．随着

５

倍．且出现的明显的屈掇台阶，比四层纸有更好的塑

大学生结构设计竞赛经验漫谈

吴小亮 洪磊

全国大学生结构设计竞赛是国家教育部批准的9个大学生竞赛资助项目之一，大赛旨在培养大学生的创新意识与合作精神，提高大学生的创新设计能力和动手实践能力。大赛自举办以来，得到了全国各大高校相关专业师生的广泛关注。

笔者有幸参加了两届校级结构设计竞赛，并代表学校参加了第二届全国大学生结构设计竞赛。作为比赛的参与者，我们现将关于比赛的相关认识和经验略作总结，供各位参考。

第1节 理论准备

作为一项极具启发性、创造性和挑战性的科技竞赛，大学生结构设计竞赛既考验参赛者的结构设计知识，又锻炼大家的动手实践能力，并在竞赛过程中，考验参赛大学生的综合素质。

一个优秀的竞赛作品，必然是参赛者准确把握命题要求、正确运用理论知识、精确进行模型制作的结晶。

1.1审题——细致准确、有的放矢

由于受比赛时间、材料等条件限制，大学生结构设计竞赛往往突出“结构概念设计”的要求。参赛选手一般只需在符合题目要求的前提下，从满足结构承载能力的角度进行构思和设计即可。

要做到“符合题目要求”，就需要我们充分了解要求，准确把握比赛规则。只有“审”好了题，才能做到有的放矢，更好地指导模型设计与制作。

首先，在结构设计之前，参赛者应认真阅读比赛章程。

比赛章程是对比赛相关事宜的详细阐述。我们除了要准确了解参赛对象、比赛进程等规定外，更应该对命题要求、理论设计、加载方式、破坏指标、评分标准等核心内容做细致分析。以桥梁结构模型设计为例，通过阅读比赛章程，我们至少需提炼以下五点信息：

①模型尺寸

在比赛章程中，一般会给出模型尺寸的限值。当未直接给出限值时，可通过加载条件间接加以确定。如对于桥梁长度而言，过短不利于加载平台的有效支承，过长则增加结构自重；对于高度而言，过小不利于结构竖向刚度的保证，过高则影响加载试验，也增加了结构的自重；对于宽度，一般受车道条件和加载方式的限制。因此，模型的尺寸应保持在一定范围内，通过理论分析和模型试验取得各方面的平衡。

②支承形式

支承形式对结构设计的影响很大，直接关系到模型的结构形式和理论分析。为此，我们需要关注“加载平台是否提供有效的水平约束”。一般的竞赛只提供竖向支承，而水平约束则较弱，甚至不提供。因此，对于悬索和有水平推力结构，往往受该条件限制而无法运用，此时应考虑采取其他方式，如系杆拱等。

③几何净空

这在实际工程中极为重要，对于模型设计，一般也会限定其净空要求，但往往被很多参赛者忽略。对于承受移动荷载加载的桥梁模型，净空大小直接关系到模型是否能够顺利加载。

④加载方式

包括载荷形式、布载方式、加载流程、最大载荷等。

对于静载试验，一般用砝码或者其他代替的重物（沙包、铁块等）进行加载；

对于动载试验，一般采用具有一定重量的牵引式可移动小车进行加载。 ⑤评分标准

一般分为造型设计、理论计算、制作工艺、现场答辩、加载试验等方面。其中加载试验是比重最大的指标，通常占50—60分，其他指标则各有侧重。从比赛经验来看，最终影响竞赛成绩也大多是加载试验指标，因此，参赛者务必在加载环节上进行足够仔细的研究。

其次在整个模型设计与制作过程当中，参赛者应反复进行规则审读和讨论，对于不太明确的细节则务必在模型制作前向组委会进行询问并获得明确答复，避免因对规则误解而导致无法参赛。

1.2选型——概念清晰、思维创新

选择正确的结构型式，即“结构选型”，是取得优异成绩的前提。一个好的结构型式，不仅体现了选手清晰明确的力学概念，还可以很好地表达作者的设计构思，也必然体现作者的创新思维。

结构选型一般从命题要求出发，再结合结构专业知识，通过比较、分析、计算、试验等，确定模型的结构型式。为此，参赛者应在设计之前，通过查阅资料，了解、补充和学习相关知识。

对于桥梁结构体系来说，一般分为梁桥、拱桥、悬索桥及组合体系四类。而结构竞赛中经常采用的就是梁桥和拱桥两种。

从全国各高校的比赛情况来看，大多数模型均采用空腹式梁桥——桁架桥结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好，而且可以通过变桁高来实现竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化，从而最大程度减轻结构自重。

当然在结构选型时，我们更应该充分结合比赛实际，发散思维，大胆创新，这也是大赛精神的要求。

以第二届全国大学生结构设计竞赛为例，大连理工大学的参赛作品则采用了实腹式的梁桥（蒙皮结构），这是纸质模型桥式上的大胆尝试，这在下文还将做详细阐述。

1.3设计——循序渐进、逐个击破、因材施用

在准确审读竞赛要求、基本确定结构型式之后，接下来一个核心环节就是结构设计。参赛者主要依据结构设计基本原理，针对加载条件的要求和限制，进行合理的结构布局设计。

结构设计是一个循序渐进的过程，它不是一蹴而就的，也不是一成不变的，而是需要在整个竞赛准备过程不断进行优化和改进的。同时，参赛者应结合材料的不同力学性能，做到“因材施教、物尽其用”。

所谓“循序渐进”，一方面要求设计者在命题要求的基础上进行，根据不同的材料性能和受力特性，设计不同的构件截面。如主桁上弦杆主要受压，并承受局部集中荷载，显然不能采用硫酸纸，而必须采用白卡纸杆件，同时由于构件抗弯的需要，可将受弯杆件截面设计成抗弯惯性矩较大的矩形、圆形、T 形等形状；对于受拉下弦，则可充分利用硫酸纸或白卡纸的抗拉强度，采用单层或多层叠合纸带，从而减轻下弦自重。

所谓“逐个击破”，即“由果及因、由体及面、由局部及整体”的设计思路。以承受荷载的桁架梁桥模型为例。当荷载作用于跨中时，一般简支梁承受最不利荷载，此时的弯矩图呈倒三角形的形式。显然跨中截面最可能发生破坏，由此我们最直接的结论是“加大跨中截面的竖向抗弯刚度”。

为了能最大程度地减轻结构自重，初步设计时我们应着重考虑的问题是“如何使结构的竖向抗弯能力与其最不利弯矩相适应？”从这个角度出发，再结合结构抗弯刚度的概念，即可以设计出沿桥长变高度的各种桥梁形式。对于动荷载试验的模型，除了类似于静载模型的抵抗弯矩图概念外，我们着重关心的问题是“如何实现动载小车平稳顺利地通过桥面？”，进而思考围绕这一问题的一系列具体问题，如主梁与车轮的位置关系、桥面系的设计、桥面的铺设、桁架桥主桁与桥面系的关系、拱桥拱肋与桥面系的连接等等。此外，就是杆件设计问题。一方面我们应根据不同的受力特点，确定不同杆件的截面形式与连接设计，从而尽可能降低自重；另一方面，又要考虑到模型制作的可操作性、材料性能的不确定性等。

1.4计算——正确简化、指导实践

初步设计之后，就要开始对模型进行理论分析与计算。实际制作的模型在材

料性能、支座条件、节点力学性质等方面具有局限性，因此，我们需要对计算模型进行了下列简化和假定，如采用空间梁单元模拟桁架结构、荷载简化、不考虑桥面板参与受力等。

应该承认，简化和假定会必然会带来计算误差。但从理论指导实践这个角度上说，这种简化计算又是合理的，误差也是可以接受的。

理论计算一般又分为手算和电算两个方面。手算一般根据力学基本原理进行简单的受力分析，如荷载简化、拉压杆件概念分析等；电算则是运用计算机软件进行结构详细分析，推荐使用SAP2000及MIDAS 结构分析软件。

需要强调的是，理论计算必须在模型制作之前就要进行。这是因为，只有经过了计算，才能明确结构各部分的受力性能，进而采用不同的杆件截面及杆件连接方式。如哪些腹杆是受拉杆件？哪些杆件受力最大？哪些节点最危险等。在制作时对这些基本概念了然在胸，可以极大地提高模型制作效率。

以上是对于结构竞赛几个理论环节的要点概述，在完成上述步骤之后，理论工作基本结束，接下来就进入十分关键的实践环节。

第2节 模型制作

俗话说“成也萧何，败也萧何。”一个优秀的结构模型，如果没有精细的制作工艺，不管理论设计再怎么完善也将无法付诸实践。这也是大学生结构设计竞赛区别于一般竞赛的地方。

模型制作水平在很大程度上依赖于参赛者的手工技巧。虽然并不是每个参赛者都有精巧的手工，但正所谓“熟能生巧”，只要多进行尝试，不断总结经验，就能不断提高制作水平。

现就我们三年来的比赛经历，跟各位同学分享一些模型制作的基本方法。

2.1材料性能

大学生结构设计竞赛是以培养同学们正确进行结构概念分析、锻炼理论联系实际能力的学生科技赛事，其模型制作材料必然力求轻便、价廉和易加工，同时又能适当接近实际土建材料的性能，因此多采用具有一定拉压强度的纸、木材、塑料管、有机玻璃等。

2.1.1白卡纸

1) 质量：一般采用230克巴西白卡纸，即每张A 0幅面的纸重230克。 根据组委会具体采购的不同，其实际质量从210g 至250g 不等，可别小看这个数字，这种差异对模型的自重及强度影响是很大的。较轻的纸厚度必然较小，一般偏软；较重则厚度较大，偏硬。一般以230g 白卡纸为宜。

2) 硬度：有些纸偏硬，不易于卷杆；有些纸偏柔，强度较差，特别是吸潮 之后，其强度急剧下降。

3) 纹路：仔细观察白卡纸会发现，每张白卡纸有顺纹和逆纹的差别。 一般来说，沿长边方向是顺纹，沿短边方向是逆纹。二者对于模型制作是有影响的。一般说来， 沿顺纹剪裁要方便得多，同时，若使杆件的长度方向顺纹，则在卷杆时较为顺手，且杆件质量容易保证。

4) 粗糙度：白卡纸分光滑面与粗糙面。显然粗糙面摩擦系数大，粘结效果较好；光滑面美观性较好，且不易弄脏，即使有污点也可以用拧干的湿布轻轻擦拭干净。一般卷杆时，光面朝外。

5) 强度： 白卡纸强度是一个很复杂的问题，一般不易直接测量，而是做成杆件进行试验。

6) 吸湿性：白卡纸极易受潮，空气湿度大时其强度明显降低，且受荷后变 形不稳定，类似于混凝土的“徐变”现象；但若空气过于干燥，则杆件很容易因局部小瑕疵而发生突然破坏(尤其是对于节点处) ，类似于实际工程中的脆性破坏。

7) 分层：单层白卡纸是由三层不同的纸经过胶合形成的。有时候可以充 分利用这个特点进行适当的剥离，从而减轻自重。

2.1.2硫酸纸

硫酸纸较薄，一般不能卷成管型构件，但其抗拉强度很高，一般可用于制作纯受拉构件，如桁架下弦杆等。窄条状的硫酸纸还可以代替蜡线用于节点绑扎，即牢固又较为美观。

此外，硫酸纸还可以用于制作非受力构件。在建筑模型设计中，一般也用作屋面板、建筑外墙等构件，此时硫酸纸不仅是美观的需要，还可以将结构连成一个整体，产生意想不到的力学效果——“蒙皮效应”。

2.1.3白乳胶

白乳胶是结构设竞赛中最为常见的水溶性粘接剂，无毒无害。使用时主要注意的问题是乳胶的浓度：若太稀，则含水分较多，凝固时间长，粘接效果也受影响；若太稠，则粘结不牢，对自重的影响也较大。

对于纸质模型，一般采用较稀薄的乳胶，尤其是卷杆使用的乳胶应尽量稀薄，这样既可以保证涂抹的均匀性，又能减轻结构自重。根据实际需要，可将适量原装乳胶倒入一个干净的纸杯（取矿泉水瓶底部分最佳），然后倒入适量的纯净水，一般以乳胶能呈细线状均匀、迅速流下为宜，搅拌均匀后即可使用，务必随配随用，不可放置太久，使用完毕后应将纸杯及时清洗干净，以便下次调配。

对于木材，建议使用较为浓稠的乳胶。

2.1.4木材

木材均匀性较差，各参赛队使用的材料差别很大，即便是统一采购也有加工损伤、木材品种不一等缺点。此外，受木材特性的限制，节点拼接形式简单、加工较为困难。

2.1.5蜡线（铅发丝线）

蜡线作为纯抗拉材料，一般用于受拉杆件的辅助设计，索结构也较为常见，亦可用于节点绑扎。但蜡线弹性一般较窄条状纸带大，故对于有变形要求的结构来说，用蜡线直接作为受拉构件的效果并没有纸带好。

2.2工具配备

结构模型制作中常用的工具主要有：

2.2.1制图工具

1) 丁字尺、三角板、圆规

在进行纸张剪裁之前，需使用制图工具进行构件尺寸的量取和绘制，以确保剪裁的顺利进行。

2) 画图板

制图时使用，此外在刻划、制杆、拼装时，画图板一般可用作加工平台，但应确保其不被刀刃损伤。

3) 铅笔、橡皮、旧圆珠笔芯

白卡纸上的各种界线、数字、符号等，均用铅笔进行标记，以保证作品的整洁；旧圆珠笔芯用于刻划各构件的折痕。

2.2.2剪裁工具

1) 美工刀

用于裁剪白卡纸、加工木材等，建议选用刀片较宽厚的型号，以保证在 刻划时刀片不发生扭转。一般新买的美工刀第一段刀片有一缺口，使用时易损伤手指，故建议将其折断。一般美工刀的刀片上有划线，当刀锋钝化时可将该段刀片至于刀柄后的刻槽中折断，出现新的刀锋，以便继续使用。

2) 剪刀

一般选用刀口较小的美工剪，用于剪断蜡线、剪割尺寸较小的纸片等，而对于卷杆使用的白卡纸底料，建议采用美工刀沿尺子边缘刻划，以保证纸片边缘尽量光洁平直。

2.2.3制杆工具

1) 杆芯

制作封闭截面纸杆的工具，一般根据所设计结构的各种截面尺寸配备相应

截面的杆芯。圆杆较为常用的有φ6、φ8、φ10三种，建议使用铅质或铝质实心杆件，一般长度为1m 左右（建材市场有零售）；矩形杆件常用的有5×5、5×8、6×10等，一般为木材，但很难保证平直，有条件的可购买装潢使用的龙骨或线条然后用电刨加工至适当尺寸。

2) 刷子

涂抹白乳胶时使用，一般应配备两种大小的刷子，使用后应及时置于清水中浸泡。

3) 电吹风

用于迅速凝固白乳胶，保证杆件及节点很快达到一定的强度。使用时务必保证构件均匀受热。对于长度较大的杆件，建议置于报纸围成的管道中，然后用电吹风在一端进行加热，一定时间后从另一端加热。

4) 砂纸

用途广泛，一般可用于打磨杆芯，磨除锈迹、毛刺并保证其整洁；粘接时，打磨白卡纸光面，增大摩擦系数；打磨不必要的凝固白乳胶，保证构件表面整洁；打磨杆件棱角，形成必要的弧形粘接面，减小损伤；对于木材结构则可用砂纸修饰、打磨成品，保证美观等等。

2.2.4拼装工具

1) 橡皮筋：同一尺寸纸杆应用橡皮筋绑扎成捆，避免混淆，便于拼装。 2) 夹子：在木材杆件的节点达到期望强度之前，务必使用夹子进行固定。 3) 透明胶：可用于临时性的固定措施。

4) 图钉：用于制作拼装“支架”，特别是对于拱形结构而言，一个稳固的

“支架”可以保证拼装过程的顺利进行。

2.3 纸质模型制作工艺

2.3.1制图

与实际工程一样，结构模型制作也需要结构施工图。因此，模型制作的第一步应先绘制一张准确的“施工图”。

“施工图”宜在多余白卡纸的光面上绘制，一般为单片主桁架或主拱结构的计算简图，比例为1：1，并标注各构件的实际长度及结构总长度和总高度。建议对各构件进行编号，相同尺寸的构件编号应一致。

2.3.2号料

根据施工图尺寸并适当考虑节点拼装用料，计算出各构件所用纸片大小，然后在白卡纸上用铅笔绘制剪裁尺寸。

号料的关键是准确计算出每根构件的用纸大小。

对于圆杆，考虑到制作上的方便，一般将每根杆件按其展开图——矩形，剪

裁后进行卷制。如前所述，杆件长度方向与白卡纸天然纹理方向保持一致，故该方向长度即为所制杆件的长度；垂直纹理方向为卷纸方向，该方向的尺寸可参照下式计算：

L=nπd 1+0.3π n(n-1) +δ

式中，n ——白卡纸层数；

d 1——杆芯直径；

δ——预留值，一般取2mm 至3mm 。

这只是一个经验公式，参赛者应根据实际情况计算。最为实用的方法是：先

试着卷一根杆件（不涂胶），然后再展开直接量取相应尺寸，然后考虑白乳胶的影响确定L 。对于矩形杆件，则一般只需剪取长度后即可。

2.3.3卷杆

1) 圆形截面杆件(以内径为8mm 的三层杆件为例)

a) 将裁剪好的矩形纸片置于整洁的工作平台上，用三角板在纸片的两

面精确绘制垂直于杆件长度方向的中轴线作为控制线，务必保证二

者完全重合，然后将光面朝下放置。

b) 选择φ8的杆芯，将其平行于杆件长度方向置于白卡纸靠身体内侧

一端，然后慢慢将白卡纸卷起四分一圈，用大拇指自杆芯中间向两

端慢慢摁紧卷起的白卡纸，然后十个手指均轻压纸片、同步向前滚

动杆芯。当卷起的纸片边缘接触内侧白卡纸时，再用大拇指和食指

摁紧杆芯自中间向两端滑动，确保第一层白卡纸与杆芯紧密接触而

无空隙，接着俩大拇指紧压杆芯，其他手指则尽量抵紧杆芯内侧，

继续慢慢滚动杆芯，使第二层白卡纸紧紧压住第一层纸的边缘，此

时应调整杆芯的方向，确保白卡纸上的控制线对齐。

c) 继续匀步滚动杆芯，并始终确保纸片全长与杆芯紧密接触，控制线

也尽可能对齐，直至卷完。

d) 以上为试卷过程，松开杆芯，仔细观察白卡纸是否有明显伤痕，若

试卷过程感觉纸张较硬，可用拧干的湿布轻轻擦拭白卡纸，使其稍

微软化。

e) 正式卷杆时，过程同上，但需一边卷杆，一边均匀涂抹白乳胶，建

议由两位组员合作完成。在最后一圈时，应将白卡纸最末端置于杆

芯底部，然后卷杆者用食指和拇指紧压杆芯，并保持不动，等最末

端与内层白卡纸充分粘结后，再将杆芯连带纸杆一起用电吹风均匀

加热20秒左右，然后轻轻地滑动纸杆，避免其与杆芯粘结而导致无

法取下。如此加热1到3分钟后，将纸杆从杆芯一端轻轻取下。

f) 圆杆制作是一个较为复杂的过程，质量不容易保证，故建议在需要

杆件数目的基础上多做2根，择优选用。

2) 矩形截面杆件

a) 准备工作同上，不同的是，当杆芯平直地放于白卡纸上，用旧圆珠

笔芯沿杆芯棱边刻划第一条折痕，注意笔芯要垂直于白卡纸、用力

应轻微均匀，并保证刻划时杆芯不要移动；

b) 将白卡纸沿折痕翻折至90°，然后将杆芯也翻转90°，沿新的棱边

刻划，如此重复；

c) 在卷第二层的时候，应在白卡纸上涂以适量的白乳胶，并用杆芯轻

压至基本粘合后进行下一步翻折，直至卷出合适层数的杆件；用美

工刀小心地将所卷杆件从白卡纸上刻划成品。

d) 将成形的纸杆用橡皮筋进行绑扎固定，用电吹风进行烘干至各层之

间基本粘接且无裂缝，然后置于空旷通风处自然风干。

3) 箱形截面杆件

以单箱双室截面为例，有两种不同的制作方法：

a) “预制法”：先预制两根小截面矩形或方形杆件，然后将二者粘结在

一并外包白卡纸。该方法操作方便，不足之处是：外包白卡纸很难

与内侧两根小截面杆件紧密粘结。

b) “现浇法”：先卷一根小截面杆件，在最后一圈时并不从将其刻划下

来，而是将另一个合适的杆芯与之并排放置，然后将二者作为一根

新的特殊的杆芯继续卷杆，直至卷成所需尺寸和层数的杆件。该方

法制作的杆件整体性能较好，不足之处是：需在制作之前设计好该

杆件四个侧面所需的白卡纸层数，并确定先卷的是哪个侧面。

4) 拱形杆件

受材料及手工限制，拱形杆件一般只能采用拼接法制作，类似于实际工

程中“曲梁直做”的施工工艺。根据拼接工序的不同，又可分为以下两种：

a) 全拼法：即将弧形拱圈分割成长度及数目合适的直杆弦段，然后用

白乳胶粘结，一般需在拼接处内插小直径拼接短杆。该方法制成的

拱肋整体性较差，节点多，美观性也较差；但工序简单、操作方便；

b) 半拼法：即先卷成一根较长的直杆“拱肋”，然后在拱肋内侧适当位

置剪出小的缺口，形成笛子状的“直拱肋”，然后将缺口两侧的杆件

进行粘结，形成拱形杆件。该方法制成的拱肋整体性能较好，美观

程度较高，但工序复杂，需要结合腹杆节点合理分割缺口，手工技

巧要求较高。

以上两种“曲梁直做”法，在拼接时均需制作准确的拼接图，即在平台上绘

制1：1拱肋几何图，或直接在施工图上进行拼接亦可。拼接时，从拱肋一端逐段粘结，每粘结一个连接点，均需要用电吹风进行强制加热凝固直至达到足够强度；粘结过程中务必保证拱肋按拼接图所绘几何形状弯折，建议在连接点拱肋内外侧均制作固定卡位器——一般可用图钉，或用可将废弃的杆件剪成小段后粘于拼接图上。

5) 其他截面形式杆件

根据设计，杆件也可采用不同的截面形式，如T 形截面、十字形截面等。

2.4 木质模型制作工艺

2.4.1木材处理

1) 增大截面

一般提供的木材杆件较细，如果设计中选用截面较大的杆件时，一般可将多

根杆件叠合粘结。在粘接时，务必保证粘结平面的平整，使二者粘结牢固，增加杆件的整体性。

2) 减小截面

可用美工刀适当劈削后，再进行打磨处理。

3) 弯曲

一般将木材先在清水中浸泡，使其充分吸水，增加其柔韧性，然后再进行弯

曲，弯曲过程务必缓慢进行，待其基本成形后再将两端固定，并自然晾干（注意：木材浸水后性能是否发生改变未知！）

2.4.2木材粘结

一般使用较为浓稠的白乳胶，且涂抹厚度应较纸质模型大。在粘接时，务必

使用夹子给予粘结处力量足够大、时间足够长的正压力，确保粘结牢固。节点处一般需粘贴较薄的木片作为节点板，增加有效粘结面积。

2.5节点设计与制作

节点处的受力较为复杂，是结构中的薄弱环节。实际工程中，一般要求框

架结构节点强度大于梁柱强度，模型制作也不例外，尤其是受拉节点。节点设计的基本原则是：主要受力构件在节点处保持连续不截断，次要构件与重要构件保证可靠连接。

1) 受拉节点

即该节点处至少有一根以上的杆件承受拉应力，受拉节点是模型试验中破

坏最为常见的部位，应引起参赛者的足够重视。在设计时，对于一般的受拉节点可采用以下方法：

a) “整体弯折法”：即将受拉的杆件在连接处整体弯折而不截断，或者

仅在预留出足够粘结接触表面后截断。

b) “构件连接器法”：即在连接处内衬一根小直径短杆或外套一根大直

径短杆，形成构件连接器；对于木材模型，可以使用节点板。

2) 受压节点

结构构件一般具有足够的强度，在保证稳定性的前提下，其受压性能一般

完全能满足受力需要。受压节点较受拉节点来说，抵抗破坏的能力也较好。在制作时，压节点基本要领时：保证节点处各杆件轴线处于同一平面内，且受压接触面务必充分接触。

3) 交叉节点

交叉节点在立体结构中较为常见，如高层建筑模型等，在桥梁结构中，一

般为桥面系设计中的纵横梁交叉。在制作时，需要制作者进行不断尝试，寻求较合适的连接方法。以矩形截面为例，一般在接触点分别开出槽口，然后将二者充分咬合连接。而槽口的开挖方法却有各种形式，需根据实际选用。

第3节 要点提示

3.1关于模型选型

模型选型是一个较为复杂的过程，参赛者需要根据命题要求，结合结构设计

知识，进行多方位、多层次的思考与讨论。在选型环节，参赛者需要注意以下几个问题：

1) 明确荷载传递路径

这个概念在结构设计竞赛中十分重要，各位可参看有关书籍。据我们的理解：

所谓荷载传递路径，是指结构所受外力荷载，从作用点开始依次经过结构各部分的相互作用，最后传递到支座的整条传递路线。荷载在结构内部以弯矩、剪力、轴力的形式传递，各种内力在传递时引起的变形类型也是不同的。

结构设计的目标，归根结底是将结构所承受的荷载以最合理的变形类型、最

清晰的传递路线、最短的传递时间传递到支座上。这就要求，荷载传递路线必须是连续的、不可间断。

尤其是在进行桁架结构设计时，借助荷载路径分析可以有效帮助我们找到合

理的结构型式。

2) 加强结构型式对比

结构设计竞赛倡导的是“百花齐放、百家争鸣”，满足命题要求的结构型式

应该是且必然是多样性的。即使对于规定结构型式的比赛命题来说，符合该种结构类型的实际模型也可以是多种多样的。参赛者应在选型时，加强对各种符合要求的结构型式的对比分析，找出各种型式在命题限定要求下的优劣性能，从而寻求最合理的结构型式。

3) 寻求优化与创新

在基本确定结构型式之后，就需要依据各种功能目标及约束条件进行模型的

优化。结构优化设计是理论分析与模型试验相辅相成的过程。一方面，我们需经过理论计算与分析，探求合理的受力型式，优化荷载传递路径，并对该型式进行加载试验；另一方面，通过加载试验，我们可以发现模型的薄弱部位及破坏形式，并将其得到改进或加强，以形成较为优化的结构型式。

3.2关于杆件截面选择

截面选择也是一个十分重要的问题。在自重约束的条件下，参赛者需要根据

设计计算结果，探究各种截面的性能优劣。一般需综合考虑以下方面：

1) 受力性能

如压弯杆件，考虑抗弯刚度的大小，宜采用箱形截面；受压杆件，考虑受压

稳定性，而不宜采用细长杆件等。

2) 自重影响

如对于抗弯模量相同的截面来说，圆形截面和矩形截面杆件哪种更轻一些？

在强度及稳定性足够保证的前提下，T 形截面或者十字形截面是否可以使结构自重更轻？

3) 拼接工艺

一般来说，方杆的拼接形式最为灵活，节点美观性也较好；而圆杆则较复杂。

以承受移动荷载的上承式桁架桥上弦杆为例。

上弦不仅承受结构整体弯矩产生的轴向压力，而且当小车直接作用在两个结

点之间时，这两个结点之间的杆还要承受桥面板的横向压力产生的弯曲应力以及局部挤压应力。因此，所选截面应具有足够的抗弯刚度及局部稳定性。

我们可考虑两种截面形式——单箱双室截面和空心圆形截面。在截面面积及

杆件厚度相等的情况下（即控制“自重影响”这一变量），容易验证单箱双室截

面比空心圆截面惯性矩大40%以上。此外，前者节点处理较圆形截面简单，故最终可选用单箱双室截面。

若上述桁架桥只是承受静荷载，则可采用更为简单的单箱单室截面。

3.3关于理论计算

理论计算一般需要参赛者确定模型基本形式后进行；而模型在制作过程中一

般又要进行较大的修改。因此，二者是一个相互促进的过程。“理论指导实践”这是一个十分重要的原则，在模型制作之前，首先应进行足够细致的理论分析，并将分析结果运用于制作，而不能把模型设计的成功完全依赖于制作和加载试验，那样不但会使模型的制作过程变得很长，花费很多的精力，而且也不易找出受力合理的结构，不易使结构模型设计竞赛起到培养参赛队员设计计算能力的目的。

其中，在模型试验之前必须进行的最基本的计算包括：确定模型几何净空、

分析加载时的结构受力特征、确定结构中的拉压杆件、确定结构最不利荷载布置等。

3.4关于说明书的撰写

说明书是对于模型设计的说明和总结，是对参赛者综合分析能力的理论体

现。与模型试验相比，设计说明书只占竞赛成绩的很小一部分，故往往受到很多参赛者的忽视。

作为结构竞赛考核的一个能力指标，我们应以撰写设计说明书为契机，加强

培养自己的思维陈述能力和语言组织能力。在撰写过程中，参赛者通过进一步的讨论与思考，可以更加明确设计思路，深化对力学概念的理解与运用。

在撰写设计说明书时，应注意以下几点：

1) 思路清晰，切忌前后矛盾、张冠李戴；

2) 语言简洁，相关概念采用专业术语表达；

3) 格式规范，严格按照指定要求编写和排版；

4) 图文一致，表格准确，统一编号。

[附录] 优秀模型赏析

一、目前市场上常用纸、塑料包装材料

目前市场上常用纸、塑料包装材料的概述。

1．1 市场上常用的包装纸

1.1.1 通用包装纸

有纸袋纸、牛皮纸、鸡蛋纸、铝箔衬纸、包针纸、半透明纸、条纹牛皮纸、胶卷保护原纸、火柴纸、中性包装纸、伸性纸袋纸、薄页包装纸、普通包装纸、条纹包装纸、农用包装纸、香皂包装纸、皱纹轮胎包装纸、桨渣包装纸、铝器包装纸、包装原纸、维仑布纸复合包装材料，再生牛皮纸、再生水泥袋纸、防水袋纸、磷肥袋纸、再生皱纹封袋纸、包装纸、牛皮卡纸、灰衬纸、蓝色包砂纸、复合皱纹原纸、机制白皮纸、更空镀铝原纸、真空镀铝纸、胶片衬纸。

1.1.2特殊包装纸

有工业羊皮纸、特细羊皮纸、工业羊皮原纸、特细羊皮纸、中性石蜡纸、中性石蜡原纸、玻璃纸、条纹柏油原纸、条纹柏油纸、沥清防潮原纸、气相防潮纸、气相防锈原纸、黑不透光纸、苯甲酸钠防锈纸、中性塑蜡防潮包装纸、夹线柏油纸。

1.1.3食品包装纸

有食品羊皮纸、食品羊皮原纸、糖果包装原纸、冰棍包装纸、仿羊皮纸、普通食品包装纸、防油纸、液体食品包装用复合材料、挤塑糖果包装纸、糕点保鲜用隔氧复合包装材料、糕点保鲜用除氧剂袋纸。

1.14包装纸板

有单面白纸板、厚纸板、黄纸板、中性纸板、箱纸板、牛皮箱纸板、瓦楞原纸、标准纸板、提箱纸板、茶板纸、火柴外盒纸板、火柴内盒纸板、双面灰纸板、青灰纸板。

1.2 市场上常用的包装塑料

常见的塑料包装有塑料周变箱、钙塑瓦楞箱、塑料桶、塑料瓶、塑料软管、盘、盒、塑料薄膜袋、复合塑料薄膜袋、塑料编织袋以及泡沫塑料缝冲包装等，广泛适用于食品、医药品、纺织品、五金交电产品、各种器材、服装、日杂用品等包装。

塑料是以合成的或天然的高分子化合物如合成树脂、天然树脂等为主要成分，并配以一定的助剂如填料、增塑剂、稳定剂、着色剂等经加工可塑成型，并在常温下保持其形状不变的材料。

常用的塑料包装材料大致有18种，在网上搜索到相关的资料。

1.2.1聚乙烯 (PE) polyethylene

聚乙聚是乙烯的高分子聚合物的总称，其结构方CH2CH2n 。目前，聚乙烯是产量最大的塑料品种，也是用量最大的塑料包装材料，约占羔包装材料消耗量的30％。

聚乙烯的一般性质聚乙烯为白色蜡状固体，呈半透明，几乎是无味无毒。聚乙烯大分子链的柔顺性好，很容易结晶，常温下聚乙烯由部分结晶和部分处于高弹态的无定形体构成。聚乙烯因制造方法不同，最终产品的密度也有一定的差异，所以聚乙烯的品种很多，分别介绍如下：

1.2.2低密度聚乙烯(LDPE) low density polyethylene

用于吹塑瓶、挤压软管用于调味品、药品等包装瓶盖、瓶塞等容器附件各种包装薄膜、容器和泡沫塑料缓冲材料。

1.2.3高密度聚乙烯 (HDPE) high density polyethylene

集装箱、托盘，大型桶用于鲜奶、化工产品等周转包装，瓶用酸奶、洗涤液漂白剂包装，瓶盖、瓶塞等容器附件．

1.2.4线型低密度聚乙烯（LLDPE ） lineal low density polyethylene

特别适宜作包装薄膜，其厚度可比低密度聚乙烯减薄20％，是一种很有发展前途的塑料包装材料。

1.2.5聚乙烯 —EPE （俗称珍珠棉）

分为片材、板材、管材、棒材及其分割切片造型等；广泛适用包装任何形状货品，例

如：电子、塑胶制品、玩具、五金、手袋、鞋材、家俱、电镀产品、钟表产品、灯饰、玻璃制品、陶瓷器皿、工艺美术品、漆器制品等产品包装。特别是电子产品如：电脑、电视、音响、音箱等各类电器的抗静电缓冲包装。珍珠棉属于环保型，特点是弹性好、韧性强。也可造救生衣、浮板、旅行袋，帽等。

1.2.6聚丙烯（PP ） polypropylene

聚丙烯是丙烯的高分子聚合物，结构式为CH2CHCH3n 。

广泛用于制作食品、化工产品、化妆品、食品饮料、啤酒等周转箱，吹塑瓶用于洗发液、化妆品等包装，螺纹瓶盖或带铰链包装、编织袋以及包装用薄膜、打包带和泡沫塑料缓冲材料等。

1.2.7聚苯乙烯（PS ）

广泛用于制作食品、医药品以及日用品等小型包装容器，如盒、杯、等和食器包装用薄膜。此外，还大量用于制作泡沫塑料缓冲材料等，用于仪器、仪表、电器产品等的缓冲防震包装等。

1.2.8聚氯乙烯（PVC ）

用于制作硬质包装容器、透明片材和软质包装薄膜。聚氯乙烯透明片经热成型制成各种包装容器，大量用于食品和医药品的包装。此外，聚乙烯还可制成泡沫塑料缓冲材料。

1.2.9聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET ）

主要用于制作包装容器和薄膜，因具有良好的气密性、耐热性和耐寒性，所以聚酯薄膜适用于冷冻食品和蒸煮食品的包装。聚酯瓶则大量用于饮料的包装。

1.2.10聚偏二氯乙烯 （PVDC ）

略带有浅棕色的强韧材料 ，结晶性强 。对水蒸气、气体的透过率具有非常好的气密性和防潮性。聚偏二氯乙烯的机械强度较好，能耐强酸、强碱和有机溶剂，耐油性优良，有自粘性，难以燃烧并具有自燃性。耐老化性差，容易受紫外线的影响，易分解出氢，其单体也有毒性。所以用于食品包装应严格控制质量标准。

1.2.11聚酰胺（PA ）

主要用于食品的软包装，特别适用于油腻性食品的包装。尼龙容器也常用于化学试剂等包装。

1.2.12聚乙烯醇（PV A ）

用于食品包装，水性聚乙烯醇可用于化学药品等的计量包装。

1.2.13乙烯－醋酸乙烯共聚物（EV A ）

用于制作包装薄膜，因其弹性好，故适用于托盘的缠绕裹包。因具有优良的低温热封合性，它常用作复合薄膜的密封层，也用于制作药品和食品的包装容器。

1.2.14聚碳酸酯（PC ）

主要用于电器绝缘材料，在包装上主要用于食品的包装。有良好的耐磨性，适于硬件、有尖物品的包装。

1.2.15聚氨基甲酸酯（PVP ）

用于精密仪器、贵重器械、工艺品等的防震包装或衬垫缓冲材料 。

1.2.16酚醛塑料（PE ）

广泛用作电器绝缘材料。其在包装上的应用主要是用来制作瓶盖、箱盒以及盛装化工产品的耐酸容器。用酚醛塑料制作的瓶盖，能承受装盖机的扭力，并能长期保持密封而不松动。

1.2.17脲醛塑料（UF ）

用于制作精致的包装盒、化妆品容器和瓶盖等。因在醋酸或100℃沸水中浸泡时，有游离的有毒物质甲醛析出，故不适于包装食品。

1.2.18蜜胺塑料（ME ）

价格较好，多用于制作食品容器，也可用于制作精美的食品包装容器。

二、 实验材料分析

此次试验所用的纸材料为210g/㎡的白卡纸，和150g/㎡深色牛皮纸。塑料材料为PET 膜、PE 板材等。塑料材料根据其化学结构式推断出其应该具备的性质，然后根据实验数据推断其结果。

2.1 白卡纸和牛皮纸 2.1.1 白卡纸（ivory board）

白卡纸通常采用100％的漂白木浆为原料，原浆又称处女浆(virgin pulp) ，直接取材于森林，这样的纸浆因为纤维从来没有被破坏过，所以抄造而成的纸板非常的挺，各项技术指标也相当过硬。面层、底层采用硫酸盐化学针叶木浆，芯层采用阔叶木化学机械浆，浆料经过打浆后加入碳酸钙、硫酸钡等填料，用AKD 进行中性重度施胶，在叠网造纸机上进行抄造，并经压光、涂布处理而成。根据需要，经过压纹处理则可生产带有特殊压印花纹的卡纸，凡带有特殊压印花纹的白卡纸则可不检查平滑度和白度。

白卡纸是一种坚挺厚实、定量较大的厚纸。从前有人拟以定量为基准，划分：纸张、卡纸和纸板；最普通的的卡纸不上色，习称白卡纸。如果上色，依色泽叫作色卡纸。白卡纸对白度要求很高，A 等的白度不低于92％，B 等不低于87％，C 等不低于82％。

白卡纸还要求有较高的挺度、耐破度和平滑度（但压印有花纹的白卡纸除外），纸面平整、不许有条痕、斑点等纸病，也不许有翘曲变形的现象产生。

白卡纸在中国的市场行情看好。以前，我国许多涉外饭店、合资企业所使用的白卡纸大多从国外进口。如今，宁波中华纸业的崛起，改变了进口纸统治中国白卡纸市场的状况。宁波中华纸业采用漂白化学木浆，一流的加工设备和先进的工艺，因此，成品质量极其精良，可与进口产品相媲美，而价格则远低于进口产品。

2.1.2 牛皮纸（kraft paper）

用作包装材料。强度很高。通常呈黄褐色。半漂或全漂的牛皮纸浆呈淡褐色、奶油色或白色。定量80～120g/m2。裂断长一般在6000m 以上。抗撕裂强度、破裂功和动态强度很高。多为卷筒纸，也有平板纸。采用硫酸盐针叶木浆为原料，经打浆，在长网造纸机上抄造而成。可用作水泥袋纸、信封纸、胶封纸装、沥青纸、电缆防护纸、绝缘纸等。

在很早以前，“牛皮纸”当真是用小牛的皮做的。当然罗，这种“牛皮纸”，现在只有在做鼓皮的时候，才会用到它；而你包书用的牛皮纸，是人们学会了造纸技术以后，用针叶树的木材纤维，经过化学方法制浆，再放入打浆机中进行打浆，再加入胶料、染料等，最后在造纸机中抄成纸张。由于这种纸的颜色为黄褐色，纸质坚韧，很象牛皮，所以人们把它叫做牛皮纸。

其实，牛皮纸与普通纸的制造方法并没有多大的不同。为什么牛皮纸比普通纸牢固呢？这主要是制牛皮纸所用的木材纤维比较长，而且在蒸煮木材时，是用烧碱和硫化碱化学药品来处理的，这样它们所起的化学作用比较缓和，木材纤维原有的强度所受到的损伤就比较小，因此用这种纸浆做出来的纸，纤维与纤维之间是紧紧相依的，所以牛皮纸都非常牢。

2.2 PET 塑料和PE 塑料

2.2.1 PET (polyethylene terephthalate)聚对苯二甲酸乙二醇酯

聚对苯二甲酸乙二醇酯，英文名：polyethylene (简称PET) 。PET 是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。

PET 有酯键，在强酸、强碱和水蒸汽作用下会发生分解，耐有机溶剂、耐候性好。缺点是结晶速率小，成型加工困难，模塑温度高，生产周期长，冲击性能差。

PET 的加工过程

薄膜加工：PET 一般以晶粒形式供应。未取向薄膜挤压前，PET 必须在高温型干燥箱中干燥。粒料在干燥后的湿含量应低于0.003％，使降解（分子链开裂）和特性丧失达最小限度。

薄膜挤出机的长径比（L ／D ）应至少为24：1，并有足够大的马力。标准的三辊式片材浇注机组用来生产轻触薄膜。薄膜也可直接浇注在冷辊上，不用辊轧。这两种情况，口模应安置在尽可能靠近压延辊的地方，因为其熔体强度低。PET 挤压成型需选可能的最低挤塑原料温度（一般约525F ），过高的挤塑原料温度会导致分子分解。冷辊上积垢减少到最小限度，可保证好的薄膜平直度，为此，冷辊温度应正好低于开始产生粘附现象时温度，通常140～170F 。

瓶加工用注塑坯料的PET 干燥步骤与挤塑料相似。模塑原料应不受污染以生产有韧性、纯净的坯料，可根据适用的FDA 规程。生产瓶子时，非晶的型坯反复加热到正好高于聚合物玻璃化转变温度（Tg ），并在高压下进入模腔。型坯壁按几何法拉伸引起双轴的取向，高水平的分子链排序和延伸导致分子排序增加，并改进物性和气密性。

取向使固体聚合物密度明显增加，控制密度的一个方法是腔壁中的取向程度。取向过程的一个直接结果是：聚合物的拉伸屈服强度、冲击强度和抗蠕变性大大增强了。用PET 制成的取向容器抗蠕变性增强，是其成功用于高密封性汽水饮料包装的一个主要因素。目前，有若干满意的工艺用于吹塑取向PET 容器。

2.2.2 PE 塑料（Polyethylene ）

PE, 全名为Polyethylene ，结构式-[-CH2-CH2-]-n是结构最简单的高分子有机化合物, 当今世界应用最广泛的高分子材料, 由乙烯聚合而成, 根据密度的不同分为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯较软, 多用高压聚合; 高密度聚乙烯具有刚性、硬度和机械强度大的特性, 多用低压聚合。高密度聚乙烯可以做容器、管道, 也可以做高频的电绝缘材料, 用于雷达和电视。大量使用的常为低密度(高压) 聚乙烯。聚乙烯为蜡状, 有蜡一样的光滑感, 不染色时, 低密度聚乙烯透明, 而高密度聚乙烯不透明。

聚乙烯是通过乙烯( CH2=CH2 )的加成反应和聚合反应，由重复的–CH2–单元连接而成的高聚合链。聚乙烯的性能取决于它的聚合方式；在中等压力(15-30大气压) 有机化合物催化条件下进行Ziegler-Natta 聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的, 且分子链很长, 分子量高达几十万。如果是在高压力(100-300MPa),高温(190–210 C),过氧化物催化条件下自由基聚合, 生产出的则是低密度聚乙烯(LDPE),它是支化结构的。

聚乙烯不溶于水, 吸水性很小, 就是对一些化学溶剂, 如甲苯、醋酸等, 也只有在70℃以上温度时才略有溶解。但是微粒状的聚乙烯, 可以在15℃～40℃之间随温度的变化熔化或凝固, 温度升高时熔化, 吸收热量; 温度降低时凝固, 放出热量。又因为它吸水量很小, 不易潮湿, 有绝缘性能, 因此是很好的建筑材料。

生产工艺：主要有高压管式法和釜式法两种。从目前发展状况看，为降低反应温度和压力，管式法工艺普遍采用低温高活性引剂引发聚合体系，以高纯度乙烯为主要原料，以丙烯/丙烷等为密度调整剂，使用高活性引发剂在约200℃～330℃、150-300MPa 条件下进行聚合反应。反应器中引发聚合的熔融聚合物，必须要经过高压、中压和低压冷却、分离，高压循环气体经过冷却、分离后送入超高压（300MPa ）压缩机入口，中压循环气体经过冷却、分离后送入高压（30MPa ）压缩机入口，而低压循环气体经过冷却、分离后送入低压（0.5MPa ）压缩机循环利用，而熔融聚乙烯经过高压、低压分离后送入造粒机，进行水中切粒，在造粒时，企业可以根据不同应用领域，加入适宜的添加剂，颗粒经包装出厂。

三、实验数据

3.1白卡纸和牛皮纸实验数据

表3-1 白卡纸实验数据

项目 厚度 定量 紧度

抗张强度（横） 抗张强度（纵） 伸长率（横） 伸长率（纵） 耐折强度（横） 耐折强度（纵） 环压强度（横） 环压指数（横） 环压强度（纵） 环压指数（纵） 内撕裂强度（横） 撕裂指数（横） 内撕裂强度（纵） 撕裂指数（纵） 挺度（横） 挺度（纵） 耐破强度（正面） 耐破强度（反面）

数据 0.280mm 213g/㎡ 750g/cm3 0.88KN/m 10.13KN/m 6.0% 2.6% 34.2次 48.6次 1.67KN/m 7.94Nm/g 1.72KN/m 8.17Nm/g 355mN 1.69mN.m 2/g 473mN 2.25mN.m 2/g 4320N.mm 9600N.mm 0.50MPa 0.55MPa

表3-2 深色牛皮纸实验数据

项目 厚度 定量 紧度

抗张强度（横） 抗张强度（纵） 伸长率（横） 伸长率（纵） 耐折强度（横） 耐折强度（纵） 环压强度（横） 环压指数（横） 环压强度（纵） 环压指数（纵） 内撕裂强度（横） 撕裂指数（横） 内撕裂强度（纵） 撕裂指数（纵） 挺度（横） 挺度（纵） 耐破强度（正面） 耐破强度（反面）

数据 0.220mm 152g/㎡ 689g/cm3 4.48KN/m 5.97KN/m 2.6% 1.5% 16.0次 83.8次 0.86KN/m 5.74Nm/g 1.29KN/m 8.59Nm/g 457mN 3.04mN.m 2/g 547mN 3.64mN.m 2/g 3100N.mm 3540N.mm 0.35MPa 0.41MPa

3.2 PET 塑料薄膜和PE 板材实验数据

表3-3 PET塑料薄膜实验数据

项目 厚度

静摩擦因数（横） 动摩擦因数（横）

静摩擦因数（纵） 动摩擦因数（纵） 透光率 雾度

抗拉强度（横） 抗拉强度（纵） 伸长率（横） 伸长率（纵）

透气系数(GB 1038-2000) 抗冲击强度

PE 塑料薄膜热封（横） PE 塑料薄膜热封（纵）

0.251 0.246 90.3 6.32 0.376MPa 0.578MPa 14.8% 219.3%

0.294×10-15cm 3.cm/cm2.s.a.Pa 2.9J 4.807N/mm 5.526N/mm

数据 0.022mm 0.197 0.165

表3-4 PE塑料板材的实验数据

项目

弹性模量（弯曲强度） 硬度

数据 3548.17MPa 53.6HRL

四、实验数据分析 4.1纸材料分析

根据实验数据分析实验材料的性能，从材料的结构应该具有的什么性能，实验结果是否具有该性能，如果没有，分析其原因。主要以对比的方式进行比较，跟同实验的另外小组的不同材料的实验数据对比。

从实验数据看出，纵向的力学性能大于横向的力学性能，这与纤维排列方式有关，与预测一样。

4.1.1白卡纸的分析

白卡纸通常采用100％的漂白木浆为原料，直接取材于森林，这样的纸浆因为纤维从来没有被破坏过，所以抄造而成的纸板非常的挺，各项技术指标也相当过硬。面层、底层采用硫酸盐化学针叶木浆，芯层采用阔叶木化学机械浆，浆料经过打浆后加入碳酸钙、硫酸钡等填料，用AKD 进行中性重度施胶，在叠网造纸机上进行抄造，并经压光、涂布处理而成。

通过实验数据可以看出，白卡纸是一种坚挺、定量较大的厚纸。白卡纸具有较高的挺度、耐破度和平滑度，纸面平整，正面光滑白亮。所以白卡纸常用来印刷名片、请柬、证书、奖状、书刊封面、商品包装盒等。

4.1.2牛皮纸的分析

牛皮纸用针叶树的木材纤维，经过化学方法制浆，再放入打浆机中进行打浆，再加入胶料、染料等，最后在造纸机中抄成纸张。由于木材纤维破坏比较小，所以其力学性能比较好。

通过实验数据其各项指标与白卡纸相差不是很大，实验证明其力学性能也比较好。尤其是撕裂强度比较出色，并且厚度较小。所以通常用来做外包装材料。例如饲料包装、书籍的集装包装、瓦楞纸板也是用牛皮纸做成。其余用途如信封、纸袋等和印刷机滚筒包衬等。

4.2塑料材料分析 4.2.1 PET塑料分析

聚对苯二甲酸乙二醇酯，英文名：polyethylene (简称PET) 。从结构上看来PET 分子具有较大的空隙，推出其透光率应较大。

薄膜加工：PET 一般以晶粒形式供应。未取向薄膜挤压前，PET 必须在高温型干燥箱中干燥。粒料在干燥后的湿含量应低于0.003％，使降解（分子链开裂）和特性丧失达最小限度。

与同实验者其他小组相比，PET 塑料薄膜的机械强度较高，其耐磨性较好。透光率也较好，雾度比较低，伸长率较大，特别是纵向。透气系数不高，说明其气体阻隔性较好。热封性能差，没有PE 好，从而在热封实验用的是PE 材料。抗冲击强度较高。

根据其在力学性能上的好的表现，PET 经常用来PET 非纤应用的另一主要领域是制造充装饮料、食品等的中空容器。

在汽水软饮料包装领域，PET 已近100％地占据2升包装不回收容器市场，1．5升、1升、0．5升和再小的PET 瓶也已得到广泛认可。

PET 应用于食品、酒类、洗涤剂。未加碳酸气饮料和工业产品包装物，对PET 的需求预计将持续增长。被包装的食品包括芥茉、胶制品、花生酱、调味品、食用油、鸡尾酒和浓缩果汁等。新颜色，特别是魏伯色PET 在药品。维他命和清洗剂的包装上大受欢迎。

PET容器的一个最新、增长速度最快的应用是食品或饮料包装，要求在高温下灌装。许多食品，特别是水果或高水果含量的食品或饮料，一定要在180F 或更高温度下包装。这样为产品和容器在灌装时提供巴氏灭菌（消毒）。通常的取向容器，如用于汽水软饮料包装袋在受到160T 以上高温时有收缩和变形趋向，这是由于一定的应力松驰所致。制作容器在拉伸吹塑时产生应力集中。改进加工时耐热性技术已有发展，通常称之为“热定型”技术。根据特定加工工艺，已有若干种加工技术细节，具有高度专利权的，据此，可生产出适于在190～195F 下灌注的容器。要求包装物具有这种特性的产品有纯果汁。高果汁含量饮料、茶、某些等渗压和运动饮料，调味品、浓缩果汁和某些矿泉水。

其次，PET 还作为工程塑料用于电子、电器等领域，如仪表壳、热风口罩等。其中尤以包装容器的发展最引人注目，现在已有20％以上的PET 用于包装材料，且呈逐年上升的趋势。包装业已成为PET 的第二大用户，仅次于合成纤维。

PET 的其它最终用途是广泛应用于挤压涂层和挤压成型薄膜和板材。PET 用作可烘烤纸板包装物的挤压涂层材料，此外，也可以结晶型PET （CPET ）为基本材料制作烤炉中的盘子。

PET 薄膜通常是双轴取向，用作X 射线和其它照像胶片，肉和乳酪包装，磁带，电器绝缘，印刷板和部瓶包装袋。PET 也用作工业胶带材料。非结晶、未取向PET 薄膜和板材开始拓展用于成型容器、盘、发泡制品和饮料杯。

根据FDA 规范21CFR177-1630，PET 热塑性树脂和共聚酯是法定的用于食品接触的制品材料。所以在食品包装中，PET 已经不可取代的占据地位。但其价格较高。

4.2.2 PE板材分析

从弹性模量数据看出其弯曲强度很好，硬度也较高。

PE 板材与传统的金属管和其它塑料管相比, 具有密度低、强度与质量比高、脆给温度

化低、韧性好、耐腐蚀绝缘性能好、易着色、易于施工和安装等特点、广泛应用于市政和建筑给排水、燃气、供热采暖、电线电缆穿线、农用节水灌溉和工业排污、矿山矿物输送等领域。

与钢管相比，成本可降12%左右，工作寿命长，可达成50a(钢管一般为20a), 而且维护费用低。在国外的发达国家和地区，PE 管是城际埋地燃气管道中的占有量已达90%以上，在供水管所占市场份额达60%，并且国外在PE 管材方面忆经建立起了非常成熟的标准的施工规范。

在我国，镀锌管逐步被禁用后，PE 管在建筑供水等领域很有竞争优势，在燃气、工业供排水、通讯、农业灌溉等领域PE 管材也呈迅速增长的态势，但有些领域的管材标准和规范还未跟上，在一定程度上影响了PE 管材的应用和发展

PE 薄膜是其主要加工产品，其次是片材和涂层、瓶、罐、桶等中空容器及其它各种注塑和吹塑制品、管材和电线、电缆的绝缘和护套等。主要用于包装、农业和交通等部门。

五、实验总结

通过此次试验，我学到了很多。掌握了一些实验器械的基本用法；纸和塑料材料的实验和分析方法；了解了包装材料的性能判别方式；锻炼了动手能力；分析和解决问题的能力；论文的写法。

纸以及塑料产品对未来的发张前景，关于纸，我们已经了解了它的一些性能，对于未来市场的需要，我们可以大力提高纸的强度性能，和它的湿强度，从而提高它的市场利用率，因为纸相对于塑料来说它是无毒无公害的绿色包装材料。对于塑料，我在这的要求只有它只需改进一下化学成分，使其可以降解就行了。

5.1纸材料实验总结

通过对纸的性能的测试实验，引发了对纸包装的看法。

纸包装材料之所以在包装领域独占鳌头，原因在于纸包装具有一系列独特的好处：加工性能好；印刷性能好；卫生安全性好；原料来源广泛；容易形成大批量生产；具有一定的机械性能，便于复合加工；品种多样；成本低廉；重量较轻；便于运输；废弃物可回收利用。

现代包装印刷的四大支柱——纸、塑料、金属、玻璃材料中纸的增长最快，纸的价格最便宜，原料来源广大泛，且不像塑料不易溶解，不如玻璃那样易碎，也不如金属重，便于携带。另外，纸制品易于腐化，既可以回收再生纸张或作植物肥料，又可以减少空气污染，净化环境。在此，纸包装与塑料、金属、玻璃三大包装相比，被认定为最有前途的绿色环保包装印刷材料之一。绿色包装印刷纸袋、纸模、转移金属卡、全纸纸桶都是对纸包

装材料的应用。

5.2塑料实验总结

从实验数据可以看出，相对于纸包装材料，塑料材料明显有更好的机械强度和阻隔性。所以其在包装界的应用仍然是最广泛的。

塑料在包装中的应用主要在：塑料软包装、食品塑料包装、药用塑料包装、化妆品塑料。塑料以其无可比拟的优异性能广泛用于包装工业中。现代塑料生产的四分之一以上都用于制作包装材料。塑料包装制品种类繁多，一般可分为膜、袋、瓶、大型中空容器、浅盘和托盘等等。每一包装形态又因为用途和所用材料不同而分为很多品种。

由于大多数塑料都很难降解并且有毒性，所以新型的无毒可降解的塑料材料或其他材料是人类追求的目标。

六、参考文献

1、陈中豪主编，包装材料，湖南大学出版社（1989）。

2、刘喜生主编，包装材料学，吉林大学出版社（1997）。

3、PET 塑料原料的性能和用途简介；http://news.vlongbiz.com/plastic

4、百度百科，牛皮纸，白卡纸，PET ，PE 等；http://baike.baidu.com