試驗下大學生結構設計競賽竹條軸壓桿件設計★

鄭凱旋，劉 旭，李孟竺

(1.山地城鎮建設與新技術教育部重點試驗室(重慶大學),重慶 400045; 2.重慶大學土木工程學院,重慶 400045)

1 概述

全國大學生結構設計競賽由教育部、財政部首次聯合批準發文(教高函[2007]30號)的全國性9大學科競賽資助項目之一,目的是為構建高校工程教育實踐平臺,進一步培養大學生創新意識、團隊協同和工程實踐能力,切實提高創新人才培養質量。全國大學生結構設計競賽近十年才得以大規模舉辦,對結構模型所用材料的性能研究尚不充分,且大多數研究集中在竹皮材料性能探究[1-2],可供參考的竹條性能試驗數據及結論較為匱乏。

2010年,王漢坤[3]研究了不同含水率對竹材順紋抗壓、順紋拉伸、順紋抗剪和彎曲強度的影響。結果表明,除了順紋抗壓強度隨著含水率的增加呈線性減小,剩下的3個力學指標均呈減小-(增加)-平穩-減小的變化趨勢。2016年雷鳴宇等[4]對單層竹皮材料和多層黏接竹皮材料的順紋抗拉強度、抗壓強度、斷裂伸長率等因素展開探究,表明膠水對于提高材料強度有所貢獻,竹皮材料斷裂伸長率普遍為0.5%～1.5%,屬于脆性材料。2019年,侯應貴等[5]研究了竹材不同厚度及刷膠層數對抗拉承載力的影響,得到了以下結論:3種不同厚度的竹皮,抗拉強度隨厚度增加,竹條的抗拉強度優于竹皮。Lee，Moreira，Mitch等[6-7]對竹材力學性能的測試方法做了詳細總結,包括竹材的徑向抗拉強度和彈性模量測試方法、順紋抗剪模型和方法。

目前竹條受壓桿件相關的試驗研究較少,為改善以模型破壞試驗尋求最優解的現狀,并為參賽者進行模型桿件設計時,提供科學合理的理論指導,本文對大學生結構競賽中桿件常用的4種組合截面形式,按照競賽中常用的十種長細比,開展了竹條粘合壓桿受力性能試驗研究。得出了不同長度下各截面形式桿件的受力性能差異,給出了竹條軸心受壓桿件的設計建議。

2 試驗概況

2.1 竹條材料性能試驗

試驗所用竹條由杭州邦博(BAMBOO)科技有限公司提供,與結構設計大賽所提供材料為同一供應商。試驗前對三種規格(截面分別為6 mm×1 mm，3 mm×3 mm，2 mm×2 mm)竹條實際厚度進行了測量,其均差均小于0.05 mm,故計算時采用所給標準尺寸。

單軸抗拉試件制備參照行業標準《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》[8]。每種構件各20個,試驗結果取平均值。通過靜力拉伸試驗獲得的材料基本力學性能列于表1中,表中抗壓屈服強度fy取競賽給定值[9]。

表1 竹條力學性能

2.2 試件設計

根據結構模型競賽中用竹條制作結構模型時模型桿件截面邊長的常用尺寸和3種規格竹條可能組合的截面形式,設計了箱形、三角形、工字形和六邊形截面桿件。其中箱形、三角形和六邊形截面桿件均由1 mm×6 mm竹條圍合而成,工字形截面桿件由2根1 mm×6 mm竹條與1根3 mm×3 mm竹條組合而成,竹條之間均用502膠水進行連接,如圖1所示。

試件長度根據結構模型競賽中用竹條制作結構模型時桿件的常用長度,并由截面的回轉半徑和10種長細比確定,如表2～表5所示。

表2 正四邊形截面參數

表3 正三角形截面參數

表4 正六邊形截面參數

表5 工字形截面參數

2.3 試驗裝置及加載制度

試驗采用FBS-5000N微機控制電子萬能試驗機進行豎向加載。試件兩端為剛度遠大于試件的加載圓盤,由于試件端截面較小,圓盤對試件轉動約束較小,因此可近似看做兩端鉸接。

測量設備包括試驗機配套的力傳感器、位移測量系統、變形測量系統、位移計等。位移計為量程25.4 mm的數顯百分表,布置于試件跨中以測量試件失穩平面內的水平位移,試驗裝置自帶位移測量系統可直接測量試件的豎向變形,即柱頂端加載點位移。

試驗以1 mm/min的速度進行位移加載,試驗機自行采集荷載峰值和位移值,并繪制荷載-位移曲線。當試驗力值下降超過峰值的50%時停止加載。

3 試驗結果

3.1 破壞形式

試驗結果顯示,四類試件在受荷時均存在局部穩定和整體穩定問題，如圖2(a)，圖2(b)所示。

長細比小于臨界長細比的試件,以局部失穩破壞為主。此時試件受壓整個過程可分為三個階段:第一階段為彈性階段,在加載初期荷載位移曲線呈線性變化,試件部分截面具有較小的初始波幅;第二階段為彈塑性階段,隨著荷載逐漸增大,組成構件的板件波幅隨之增大,此時已有部分板件退出工作,但試件仍具有一定的屈曲后強度;第三階段為破壞階段,位移繼續增加,承載力迅速下降,最終試件由于波幅過大引起材料破壞。

長細比大于臨界長細比的試件,以整體失穩破壞為主。在加載過程中,試件總撓度v并不是隨著軸心壓力N按比例增加的,試件在加載初期,撓度增加較慢,隨后增加較快。由于竹條桿件良好的力學性能,在較大的撓度下仍然沒有保持破壞。當撓度增加到一定程度時,桿件中點截面在軸心壓力N與彎矩Nv作用下邊緣開始屈服,隨后截面塑性區不斷增加,桿件即進入彈塑性階段,致使壓力還未達到歐拉臨界力之前就喪失承載能力。

3.2 試件極限承載力結果與分析

將10組不同長細比的竹條軸壓構件試驗所測得的極限承載力Fu取平均值作為試驗結果，并匯總于表6。

表6 構件極限承載力Fu試驗值

將試驗所得的軸心受壓試件的極限承載力繪于坐標系上,如圖3所示。

從圖3中可以看出,在長細比λ在10～100范圍內時，工字形截面與箱形截面桿件的極限承載力較為接近。當長細λ<40時，三角形截面桿件的極限承載力較工字形截面、箱形截面更大；當長細比λ>40時，工字形截面、箱形截面與三角形截面桿件的極限承載力較為接近。而在相同長細比的情況下，正六邊形截面桿件的極限承載力明顯大于其他三類截面的桿件。

4 結論

1)箱形、三角形、工字形和六邊形截面四類試件在受荷時同時存在局部失穩與整體彎曲失穩問題。長細比小于臨界長細比的構件在受壓時以局部失穩為主,長細比大于臨界長細比的構件以整體失穩為主。其中,箱形試件和工字型試件的臨界長細比較為接近,空心三角形試件的臨界長細比最小,正六邊形試件的臨界長細比最大。

2)不同的長細比情況下,各類桿件的極限承載力有所不同。

3)相同長細比的空心三角形桿件、工字形桿件極限承載力較為接近。但由于空心三角形與工字形截面的回轉半徑較小,隨著桿件長度的增加,其極限承載力下降較快,故該類截面的桿件不宜過長,適用于制作模型腹桿等較短構件,既能發揮其承載能力,又可減輕模型重量。

4)箱形構件與正六邊形構件的極限承載力較大,且兩者的回轉半徑較大,隨著桿件長度的增加,其極限承載力下降較慢,因而適用于制作模型的上下弦桿、立柱等對長度有要求的構件。雖然正六邊形構件的極限承載力較高,但也具有質量較大、易于從膠縫處崩開、制作難度大、對手工要求較高等缺點,故無特殊要求,不推薦采用此種截面形式構件。