大學生結構設計競賽中竹皮材料的抗拉性能研究

中圖分類號：TU531.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0060-04

Abstract：Inthefieldofcivilengineeing，collegestudentstructuraldesigncompetitionsareanimportantplatformfor cultivatingstudents‘innovativeabiliesandpracticalskill.Thisresearchfocusesonthetensilepropertiesofbambooskin materialsandaimstoprovidescientificbasisfortheaplicationofbambooskinmaterialsinstructuraldesigncompetitions.In thispaper，auniversaltesting machinewasusedtotestthetensilepropertiesofbambooskinspecimensofdiferentsize，and theinfluenceofthethicknessandwidthofthespecimensonthetensilestrengthwasdiscussed.Thetestresultsshowthatthe tensilestrengthofthebambooskinmaterialiscloselyrelatedtothewidthandthicknessofthespecimen，withthespecimen with a width of 6 m m showing the highest tensile strength.In addition，increasing the number of layersof bamboo skin material cansignificantlyimproveitstensilestrength.Theresearchresultsprovideexperimentaldatasupportforoptimizingthedesignof bambooskin membersand areof great significance to improving the performance of structural design competitions.

Keywords：structuraldesign；bambooskinmaterial;mechanicalpropertytest;tensileproperty;innovationability

在土木工程領域，大學生結構設計競賽不僅是一項檢驗學術理論的實踐平臺，也是培養學生創新意識和團隊協作精神的重要途徑。這類競賽通過模擬實際工程問題，要求學生運用所學知識設計并制作出既經濟又具有高性能的結構模型，從而鍛煉學生的綜合應用能力和解決復雜工程問題的能力[1-2]。在眾多可選材料中，竹皮材料因其出色的力學特性和環境友好性，被廣泛認為是構建結構模型的理想選擇。竹皮的輕質、高強度以及良好的彈性模量使其在結構設計競賽中備受青睞，尤其是在需要考慮結構自重與承載能力比值的情況下。此外，竹皮作為一種可再生資源，其使用也符合可持續發展的理念，體現了綠色建筑和環保設計的趨勢。然而，盡管竹皮在結構設計中顯示出巨大潛力，關于其在實際工程應用中的力學行為，特別是其抗拉性能的具體表現和優化利用，仍需進一步的科學研究和實驗驗證。這涉及到竹皮材料的基本力學參數的準確測定、在不同荷載條件下的變形和破壞模式的分析，以及如何通過結構設計來最大限度地發揮其性能3-。通過這些研究，可以為竹皮材料在結構設計競賽乃至實際工程中的應用提供更加堅實的理論基礎和實踐指導。

韓愛紅等通過對不同尺寸類型的竹皮材料結構開展相關的力學性能試驗研究，發現 0 . 3 5 m m 的竹皮紙具有優越的抗拉性能，且竹節對性能影響較小。此外，他們還探討了竹皮構件的抗壓和抗彎性能，為結構模型設計提供了數據支持。王永寶等8則針對竹皮和竹條制作的空心桿進行了力學性能試驗，結果表明單層竹皮構件的極限承載力受到手工制作質量的影啊，而雙層竹皮構件的何質比較大，可達 。這些研究為理解和應用竹皮材料提供了重要見解。何春保等通過設計創新性實驗項目，以竹皮材料試件的長度和厚度為研究變量，研究其抗壓、抗拉和抗彎性能，且發現了膠水滴注后，可以有效增加其荷重比。許書藝等[則通過大量實驗探究了竹皮構件的長細比、寬厚比以及隔片對試件屈曲應力的影響，為優化竹皮構件的設計提供了實驗依據。陳強等通過對比試驗研究了竹片坡口連接與抗拉力學性能，發現坡口斜接的竹片能夠提升抗拉性能。王永寶等[2針對條狀和空心桿狀的竹皮構件開展了軸拉和軸壓試驗，分析了構件的破壞形式、荷質比和應力，為選擇合適的拉條和空心桿提供了參考。賈新聰13則對結構競賽模型材料進行系統研究，著重關注基礎構件材料的物理力學性能，以此為基礎對模型的設計和制作進行探索，為該模型材料的合理使用提供了理論依據。孔超等[4的研究聚焦于第十二屆全國結構設計競賽，探討了承受多荷載工況的大跨度空間結構模型的結構設計與分析驗算、截面選擇及制作技巧，研究強調了在模型設計時考慮豎向靜荷載的同時，還需計入隨機選位荷載及移動荷載等多種荷載作用，并在模型自重最小的條件下完成指定加載點處的三級加載。王永寶等15的研究針對大學生結構設計競賽中常用的竹皮材料，探討了不同箱型空心長桿的軸壓屈曲穩定性能，通過測試不同長度和截面形式的空心受壓箱型長桿的質量和極限承載力，研究發現桿件長度增加時，受壓長桿承載力和荷質比降低，研究建議選擇單層或雙層竹皮制作的受壓空心短柱作為結構設計模型桿件，并強調了手工制作水平對承載力差異的影響。張迅等[1的研究以第十屆亞洲土木工程邀請賽為背景，從材料力學性能、橋梁概念設計、數值優化等方面，闡述了用竹材制作的彎橋在受到靜力載荷和移動載荷時的模型優化設計步驟和方法，通過對比靜、動力仿真和實體模型試驗，驗證了結構優化模型的可靠性，并對比賽結果進行了總結與反思。研究為今后的類似賽事提供了參考。

從已有研究成果可知，盡管學者們對竹皮材料的抗拉性能進行了一定程度的探討，但在大學生結構設計競賽的應用背景下，仍需進一步深入研究以優化竹皮構件的設計和應用。本文旨在通過對竹皮材料抗拉性能開展研究，以期為未來的研究和實踐提供參考。

1竹皮材料抗拉性能試驗概況

1.1 試件制備

在開展竹皮材料的抗拉性能試驗之前，首先要制備開展試驗所需的試件。本文選擇的竹皮材料來源于同一批次，這樣可確保材質均勻且竹節較少。試件編號采用“厚度-寬度”的形式，如“ 表示 厚，6 m m 寬的試件。竹皮材料的試件類型有5種： （ ，試件的長度均為3 0 c m 。所有竹皮在試驗前均放置于標準環境條件下進行平衡處理，以達到穩定的含水率。試件的尺寸精度需控制在 以內，確保尺寸的一致性。每個試件在兩端中心位置標有中心線，以便于后續的加載試驗。對所有試件進行外觀檢查，剔除有明顯缺陷的試件。使用卡尺和電子秤對試件的尺寸和質量進行復核，確保試件滿足試驗要求。合格試件按照規定的存放條件進行儲存，避免受潮、陽光直射或溫度變化大的環境，直至進行試驗。通過上述步驟，可確保試件的一致性和可靠性，為后續的抗拉性能試驗提供了準確的基礎數據。

1.2 試驗設計

本文將利用萬能試驗機對竹皮材料實施拉伸加載，加載過程主要是依靠位移加載，加載速度設定為0 . 2 m m / m i n ，直至試件破壞。期間詳細記錄每個試件在破壞時的最大荷載和試件破壞時的形態。最終對所有試件的試驗數據進行整理，對比不同類型竹皮材料的抗拉強度，分析各因素對抗拉性能的影響。竹皮材料在拉伸荷載作用下的受力示意圖如圖1所示。

竹皮試件材料的彈性模量 E 與外加荷載 P 之間的關系式為

式中： E 為竹皮試件材料的彈性模量； Δ P 為外加荷載

的變化增量； Δ ε 為竹皮試件材料的應變增量； B 為竹皮試件材料的寬度； T 為竹皮試件材料的厚度。

竹皮試件材料的抗拉強度 與外加荷載 P 之間的關系式如下

式中： 為竹皮試件材料的抗拉強度； 為竹皮試件材料受拉破壞最大拉伸荷載。

由于材料尺寸固定后，其抗拉強度和破壞時的最大拉伸荷載的數值基本是確定的，將抗拉強度和破壞時的最大拉伸荷載間的比值定義為強荷比 ξ ，因此將式（2）進行相應的變化，可得

2竹皮材料抗拉性能影響規律分析

為了便于分析各影響因素對竹皮材料抗拉性能的影響規律，本文將采用單因素變量法對其開展研究。基于試驗材料的制備，竹皮材料的寬度 T 按照等梯度變化，其遞增梯度為 分別為1、2、3、4、5 . 6 m m ；竹皮材料的寬度 B 按照等梯度變化，其遞增梯度為 ，其厚度 B 分別為 0 . 5 ， 1 ， 1 . 5 ， 2 ， 2 . 5 ， 3 m m 。將上述數據代入式（2）后可得，強荷比 ξ 與厚度 B 寬度 T 之間的關系，如圖2所示。由計算結果可知，隨著竹皮材料寬度和厚度的增加，其強荷比逐漸降低，且寬度的變化對強荷比的影響較大。另外，厚度在小區間范圍內增加過程中，強荷比的降低幅度越大，隨著厚度越來越大，強荷比的降低幅度越來越小。

形態（圖3），其一為在中間區域形成有一定斜度的破壞，其二為在試件兩端形成截斷破壞。由破壞形態可知，隨著竹皮材料試件厚度的增加，在拉伸荷載作用下越不易在試件中間部位破壞，其拉伸破壞的斷口向試件兩端移動。

3竹皮材料抗拉性能試驗結果分析

3.1竹皮材料抗拉破壞特征

通過對竹皮材料開展抗拉強度試驗后，發現竹皮材料在拉伸荷載作用下的破壞特征主要有2種破壞

3.2竹皮材料抗拉破壞力學特性

不同類型竹皮材料的抗拉破壞力學特性如圖4所示。由試驗結果可知，竹皮材料的寬度對其抗拉強度的影響最為顯著，其次是竹皮厚度。其中竹皮材料的寬度為 6 m m 時，其抗拉強度是最大的，其抗拉強度相較于寬度為 2 m m 和 3 m m 的竹皮材料而言分別高出 2 7 . 3 % 和 2 5 . 6 % ；當寬度為 2 m m 和 時，此時竹皮材料的抗拉強度接近，兩者的平均抗拉強度僅相差 3 . 0 4 M P a ，說明竹皮寬度和厚度接近時，此時對其抗拉強度的影響較小。但是當竹皮材料試件的寬度相近時，此時增加一層竹皮材料可使其抗拉強度大幅提升，其平均提升幅度為 6 0 % 。

4結論

1）竹皮材料的抗拉強度與其寬度有顯著的正相關性，特別是寬度為 6 m m 的試件，相較于寬度為 2 m m 和 3 m m 的試件，展現出更高的抗拉強度。

2）在竹皮材料試件寬度相近的情況下，增加試件的厚度可以顯著提高其抗拉強度，平均提升幅度約為6 0 % 。

3）研究結果可為大學生結構設計競賽中竹皮材料構件的設計提供指導，同時可建議在設計時考慮適當增加竹皮材料的寬度和厚度，以提高結構的承載能力和穩定性。

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