結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽竹材力學(xué)性能研究

侯應(yīng)貴 朱忠超 胡勝立 丁超峰

【摘 要】為研究結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽所用竹材的力學(xué)性能，制作了一批竹材試件來探究不同竹材厚度及刷膠層數(shù)對抗拉承載力的影響。試驗結(jié)果表明竹皮的受拉承載力隨著厚度的增加而增加，且在表面刷膠可以提高其承載力，但提升比例小于質(zhì)量的增加比例；三類竹條中截面尺寸為3×3mm的受拉承載力較高。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計；竹材；穩(wěn)定；力學(xué)性能

【中圖分類號】TU318 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）07-0002-01

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力，要求學(xué)生自主進(jìn)行模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作。在規(guī)定時間內(nèi)完成賽題要求的承載能力試驗并根據(jù)荷重比來評定獲獎等級[1-5]，近年來，這一競賽逐漸成為土木工程學(xué)科的重要賽事。在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中不僅要考慮桿件受力得當(dāng)、布置合理，還要充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能[6]，但由于缺乏相關(guān)竹材的力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行大量的嘗試來制作模型并確定模型中各根桿件的參數(shù)，故筆者對結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽所用竹材的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)的試驗研究，希望能為參賽者提供一定的材料性能設(shè)計依據(jù)。

一、試驗概況

1.試件設(shè)計。

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中一般多選用竹皮或竹條作拉條，受壓構(gòu)件常選用箱形截面。此外，在多次參加與制作過程中發(fā)現(xiàn)在竹皮外層刷膠可以提高竹皮的承載力，故筆者針對兩種構(gòu)件形式及不同刷膠層數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的試件設(shè)計。

受拉試件包括竹條受拉試件和竹皮受拉試件。其中，竹皮受拉試件選用0.2mm、0.35mm、0.5mm三種不同厚度的竹皮按設(shè)計尺寸制作，并在同類試件上做不刷膠與刷1、2、3層膠處理以進(jìn)行對比研究；竹條一般在使用時不做刷膠處理，故竹條受拉試件不做刷膠對比試驗[7]。每種類型試件以5個為1組，取平均值為試驗結(jié)果。

2.材料特性和試件制作。

試驗所用竹材購于全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽指定廠商的同一批竹皮、竹條。由于竹皮為多層復(fù)合材料，為保證試件的材質(zhì)，試件制作時盡量選用材質(zhì)均勻、竹節(jié)較少的竹材。

竹皮受拉試件制作時先用剪刀裁成設(shè)計尺寸，后在兩端貼片加強(qiáng)，以防止兩端破壞并達(dá)到方便夾持的效果，具體見圖1，竹條受拉試件兩端作同樣處理。刷膠時先將膠水滴在試件表面后立刻用502細(xì)長圓膠頭來回涂抹均勻，需控制所滴膠水瞬間被竹材吸收且表面無多余積膠。竹皮受拉試件進(jìn)行兩面刷膠，試件實物圖如圖2所示。

為便于分析分析，將0.2、0.35、0.5mm竹皮分別記為ZPA、ZPB、ZPC，將1×6mm、2×2mm、3×3mm竹條分別記為ZTA、ZTB、ZTC，ZPA表示厚0.2mm的A類竹皮，2表示刷膠2層。ZPB表示厚0.35mm的B類竹皮，0表示刷膠0層，即不刷膠。

3.試驗裝置及加載制度。

試件質(zhì)量稱重采用JCS-21002C精密天平，最大稱重2000g，感量0.01g。試驗加載裝置采用ZQ-990L系列萬能試驗機(jī)，最大試驗力為5KN。試驗中試件以2mm/min進(jìn)行位移加載，試驗數(shù)據(jù)由試驗機(jī)自動采集，當(dāng)試件出現(xiàn)破壞或斷裂的情況，試驗即終止[8]。實驗裝置如圖3所示。

二、受拉試件試驗

1.竹皮受拉試件。

1.1 試件破壞形態(tài)。

竹皮受拉試件的破壞形態(tài)主要有2種，如圖4所示。

（1）正截面斷裂。

試件在加載至極限荷載前時無明顯現(xiàn)象，加載至極限荷載后突然發(fā)生脆性破壞，并伴有很大的響聲，且多在薄弱處呈鋸齒狀斷裂[9]。如圖4（a）所示，此破壞形態(tài)多發(fā)生于作刷膠處理的試件，且刷膠層數(shù)越多，斷裂處越接近試件中部。60個試件中共有39個發(fā)生正截面斷裂。

（2）斜截面斷裂。

隨著荷載的不斷增加，當(dāng)加載至接近極限荷載時，逐漸發(fā)出竹皮間纖維開裂聲音，加載至極限荷載后伴隨巨響試件發(fā)生脆性斷裂，斷裂面呈斜向，且鋸齒范圍起伏較大。如圖4（b）所示，此破壞形態(tài)多發(fā)生于不刷膠試件，且斜裂縫的長度隨著竹皮厚度的增加而增加，60個試件中共有21個發(fā)生正截面斷裂。

（a）正截面斷裂 （b）斜截面斷裂

1.2 試驗結(jié)果及承載力分析。

試件加載結(jié)果如下表所示。

由試驗結(jié)果作出不同厚度竹皮極限承載力與刷膠層數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。從曲線及表1中數(shù)據(jù)可以看出：竹皮厚度越大，試件承載力越大；同類試件的承載力隨刷膠層數(shù)的增加而近乎線性提升，且提升比例小于質(zhì)量的提升比例。

2.竹條受拉試件。

2.1 破壞形態(tài)。

試件在極限荷載之前無明顯現(xiàn)象，當(dāng)荷載加載至極限荷載后竹條受拉試件突然發(fā)生脆性斷裂，且斷裂處多接近于兩端。從圖6中可以看出，這15個竹條受拉試件中有11個表現(xiàn)為正截面斷裂，4個試件表現(xiàn)為斜截面破壞。

2.2 試驗結(jié)果及承載力分析。

竹條受拉試件試驗結(jié)果如表2所示，從表中可以看出三種竹條中竹條C的承載力最佳，且荷重比較大。

三、結(jié)論

文章針對結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽所用竹材的受拉性能進(jìn)行了試驗，研究了竹材不同厚度及刷膠層數(shù)對抗拉承載力的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）三種不同厚度的竹皮，抗拉強(qiáng)度隨厚度增加；竹條的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于竹皮。0.35mm與0.5mm厚竹皮的抗拉強(qiáng)度較為接近分別為68.12MPa、63.19MPa。

（2）竹皮材料的受拉承載力隨厚度的增加而增加，且外層刷膠可以提高其受拉承載力，刷膠層數(shù)越多，承載力提升越高，但提升比例小于質(zhì)量的提升比例。

參考文獻(xiàn)

[1]常海林，張旭欽，錢格軍，等.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽材料力學(xué)性能試驗研究[J].高等建筑教育.2017，26（05）：108-114.

[2]于洋，姜峰，司炳君，等.關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中模型的設(shè)計與制作方法[J].科技資訊，2008（02）：201-202.

[3]陳慶軍，羅嘉濠，陳思煌，等.國內(nèi)外大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽總結(jié)及研究[J].東南大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2012，14（S2）：173-177.

[4]程濤.結(jié)構(gòu)模型設(shè)計競賽與土木工程專業(yè)教學(xué)改革[J].力學(xué)與實踐，2010，32（06）：91-94.

[5]劉承斌，王步宇，孫鳳鋼，等.結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽材料性能試驗[J].實驗室研究與探索，2007（10）：181-182.

[6]付善春，尹祖興，楊倩文，等.竹材構(gòu)件材料力學(xué)性能及承載力研究[J].河南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，29（04）：49-52.

[7]賈新聰.結(jié)構(gòu)競賽模型材料物理力學(xué)性能及模型設(shè)計制作研究[D].華北水利水電大學(xué)，2018.

[8]王海鵬，陳新文，李曉駿，等.玻璃纖維復(fù)合材料不同溫度條件拉伸強(qiáng)度統(tǒng)計分布[J].材料工程，2008（07）：76-78.

[9]謝超.非均質(zhì)材料斷裂位錯機(jī)理多尺度研究[D].湖南大學(xué)，2011.