毛竹主要力學(xué)性能的測(cè)量與研究

安亞?wèn)| 劉小妹

上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 上海 201620

1 引言

力學(xué)性質(zhì)是竹材基本的材性指標(biāo),也是衡量竹材質(zhì)量的重要指標(biāo),深入了解竹材的力學(xué)性能,才能充分發(fā)揮竹材的價(jià)值[1]。竹材料纖維比較細(xì)致,輕質(zhì)高強(qiáng),彈性也比較好,是力學(xué)性能非常好的工程結(jié)構(gòu)材料,用竹材代替鋼筋,彈性比較好,拉力比較高,容易加工和價(jià)格比較低廉,用竹子代替銅筋混凝土結(jié)構(gòu),可以充分利用材料資源,很好實(shí)現(xiàn)節(jié)約鋼村[2]。竹材可以很好提高建筑強(qiáng)度,對(duì)于混凝土有給出很高約束作用,同時(shí),竹結(jié)構(gòu)及其配套部件易于定型化、標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)裝配化施工。用竹子做建筑材料要比磚石、混凝士、銅材等更加環(huán)保,其作為低碳環(huán)保建筑材料的巨大價(jià)值不斷被挖掘出來(lái),大跨度框架結(jié)構(gòu)以及各類墻體板材的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐是整體性可持續(xù)房屋體系改革的積極示范。由此看來(lái),竹材的力學(xué)性質(zhì)對(duì)于提高竹材的利用效率具有重要意義[3-7],研究竹材料的力學(xué)性能對(duì)確保使用的安全性也十分重要。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

根據(jù)GB/T 15780-1995[8],本實(shí)驗(yàn)試樣為6組長(zhǎng)方體試件,為不改變竹材的力學(xué)性能,均通過(guò)毛竹直接切割制成。其尺寸為：50mm×10mm×5mm,在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

測(cè)定材料彈性模量E時(shí)一般采用比例極限內(nèi)的壓縮實(shí)驗(yàn)[9],其荷載與變形關(guān)系為：

ΔL= ΔFL/EA

其中,ΔF為荷載增量；L為試件尺寸；A為試件橫截面面積。已知荷載增量ΔF及試件尺寸L,只要測(cè)得試件伸長(zhǎng)ΔL,可得出彈性模量E,實(shí)驗(yàn)測(cè)得試件載荷與軸向應(yīng)變關(guān)系如表圖1所示,通過(guò)Matlab軟件,將荷載與軸向應(yīng)變的關(guān)系擬合成一條直線得出直線的斜率,如圖四所示,即可求出ΔF/Δε的值。根據(jù)JP/T199-2007[10]中關(guān)于竹材順紋抗拉彈性模量測(cè)定的規(guī)定,得到的各組彈性模量的均值為10.48GPa。

圖1 荷載與軸向應(yīng)變關(guān)系

材料在受拉伸時(shí),不僅沿縱向發(fā)生縱向變形,在橫向也會(huì)同時(shí)發(fā)生短縮的橫向變形。由材料力學(xué)知[12],在彈性變形范圍內(nèi),橫向變形Δεy和縱向變形Δεx成正比關(guān)系,這一比值稱為材料的泊松比,一般以μ表示,即

μ=|Δεy/Δεx|

為測(cè)出試件的泊松比,除了測(cè)量試件在拉力作用下的縱向應(yīng)變外,也需測(cè)量試件的橫向應(yīng)變。對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的關(guān)系如圖2所示。通過(guò)Matlab軟件,將橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系擬合成一條直線,得出直線的斜率,即求出泊松比μ的值,其值為0.286。

圖2 橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變的關(guān)系圖

通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)可得到竹子承受的最大載荷,然后根據(jù)公式抗壓強(qiáng)度=試件破壞載荷/試件承受面積[13]。測(cè)量竹材順紋抗壓強(qiáng)度的試樣尺寸為50mm X10mm X5mm,將試樣放在試驗(yàn)機(jī)支座的中心,按每分鐘1000N/mm2均勻速度加荷,直至試樣破壞。

在加載初期試樣沒(méi)有明顯變化,載荷繼續(xù)增加,竹片靠近竹黃一側(cè)發(fā)生細(xì)微彎曲 ,并隨荷載的增大而增大,竹片的順紋抗壓破壞主要出現(xiàn)在試樣端部,扭曲也發(fā)生在靠近端的一側(cè),隨著荷載的增加,竹黃部位出現(xiàn)彎曲變形,導(dǎo)致竹青部位纖維撕裂,如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,提取各個(gè)實(shí)驗(yàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)應(yīng)力和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別繪制各個(gè)試件的位移-載荷曲線。如圖4所示,測(cè)得毛竹的抗壓強(qiáng)度是96.21MPa。

圖3 試件斷裂

圖4 毛竹壓縮試件位移載荷圖像

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn),可得出以下結(jié)論：毛竹的彈性模量是E=10.48 GPa,泊松比是0.286,毛竹的抗壓強(qiáng)度是96.21MPa。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),最終破壞形態(tài)是受壓截面整體向竹黃傾斜,靠近竹黃一側(cè)的竹材被壓縮的程度較靠近竹青一側(cè)的竹材壓縮程度大。這主要是因?yàn)榻孛婢S管束分布不均勻,靠近竹黃處維管束稀疏,承載能力弱,容易被壓潰.在徑向上,從竹青至竹黃,維管束呈明顯的階梯狀依次由密變疏。