結構設計競賽竹材力學性能研究

侯應貴 朱忠超 胡勝立 丁超峰

【摘 要】為研究結構設計競賽所用竹材的力學性能，制作了一批竹材試件來探究不同竹材厚度及刷膠層數對抗拉承載力的影響。試驗結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。

【關鍵詞】結構設計；竹材；穩定；力學性能

【中圖分類號】TU318 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）07-0002-01

全國大學生結構設計競賽旨在培養大學生的創新思維和動手實踐能力，要求學生自主進行模型的結構設計、制作。在規定時間內完成賽題要求的承載能力試驗并根據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科的重要賽事。在模型結構設計的過程中不僅要考慮桿件受力得當、布置合理，還要充分發揮材料的力學性能[6]，但由于缺乏相關竹材的力學性能試驗數據，只能進行大量的嘗試來制作模型并確定模型中各根桿件的參數，故筆者對結構設計競賽所用竹材的力學性能進行了相關的試驗研究，希望能為參賽者提供一定的材料性能設計依據。

一、試驗概況

1.試件設計。

結構設計競賽中一般多選用竹皮或竹條作拉條，受壓構件常選用箱形截面。此外，在多次參加與制作過程中發現在竹皮外層刷膠可以提高竹皮的承載力，故筆者針對兩種構件形式及不同刷膠層數進行相應的試件設計。

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，取平均值為試驗結果。

2.材料特性和試件制作。

試驗所用竹材購于全國大學生結構設計競賽指定廠商的同一批竹皮、竹條。由于竹皮為多層復合材料，為保證試件的材質，試件制作時盡量選用材質均勻、竹節較少的竹材。

竹皮受拉試件制作時先用剪刀裁成設計尺寸，后在兩端貼片加強，以防止兩端破壞并達到方便夾持的效果，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，最大試驗力為5KN。試驗中試件以2mm/min進行位移加載，試驗數據由試驗機自動采集，當試件出現破壞或斷裂的情況，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。

竹皮受拉試件的破壞形態主要有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象，加載至極限荷載后突然發生脆性破壞，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，此破壞形態多發生于作刷膠處理的試件，且刷膠層數越多，斷裂處越接近試件中部。60個試件中共有39個發生正截面斷裂。

（2）斜截面斷裂。

隨著荷載的不斷增加，當加載至接近極限荷載時，逐漸發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，此破壞形態多發生于不刷膠試件，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個發生正截面斷裂。

（a）正截面斷裂 （b）斜截面斷裂

1.2 試驗結果及承載力分析。

試件加載結果如下表所示。

由試驗結果作出不同厚度竹皮極限承載力與刷膠層數的關系曲線如圖5所示。從曲線及表1中數據可以看出：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的增加而近乎線性提升，且提升比例小于質量的提升比例。

2.竹條受拉試件。

2.1 破壞形態。

試件在極限荷載之前無明顯現象，當荷載加載至極限荷載后竹條受拉試件突然發生脆性斷裂，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個表現為正截面斷裂，4個試件表現為斜截面破壞。

2.2 試驗結果及承載力分析。

竹條受拉試件試驗結果如表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、結論

文章針對結構設計競賽所用竹材的受拉性能進行了試驗，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：

（1）三種不同厚度的竹皮，抗拉強度隨厚度增加；竹條的抗拉強度優于竹皮。0.35mm與0.5mm厚竹皮的抗拉強度較為接近分別為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，刷膠層數越多，承載力提升越高，但提升比例小于質量的提升比例。

參考文獻

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