試驗下大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽竹條軸壓桿件設(shè)計★

鄭凱旋，劉 旭，李孟竺

(1.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點試驗室(重慶大學(xué)),重慶 400045; 2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045)

1 概述

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由教育部、財政部首次聯(lián)合批準發(fā)文(教高函[2007]30號)的全國性9大學(xué)科競賽資助項目之一,目的是為構(gòu)建高校工程教育實踐平臺,進一步培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、團隊協(xié)同和工程實踐能力,切實提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽近十年才得以大規(guī)模舉辦,對結(jié)構(gòu)模型所用材料的性能研究尚不充分,且大多數(shù)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(shù)據(jù)及結(jié)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(jié)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(xué)指標均呈減小-(增加)-平穩(wěn)-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(yīng)貴等[5]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: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(yōu)于竹皮。Lee，Moreira，Mitch等[6-7]對竹材力學(xué)性能的測試方法做了詳細總結(jié),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(guān)的試驗研究較少,為改善以模型破壞試驗尋求最優(yōu)解的現(xiàn)狀,并為參賽者進行模型桿件設(shè)計時,提供科學(xué)合理的理論指導(dǎo),本文對大學(xué)生結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計大賽所提供材料為同一供應(yīng)商。試驗前對三種規(guī)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(yè)標準《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗方法》[8]。每種構(gòu)件各20個,試驗結(jié)果取平均值。通過靜力拉伸試驗獲得的材料基本力學(xué)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(xué)性能

2.2 試件設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型競賽中用竹條制作結(jié)構(gòu)模型時模型桿件截面邊長的常用尺寸和3種規(guī)格竹條可能組合的截面形式,設(shè)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(jù)結(jié)構(gòu)模型競賽中用竹條制作結(jié)構(gòu)模型時桿件的常用長度,并由截面的回轉(zhuǎn)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(shù)

表3 正三角形截面參數(shù)

表4 正六邊形截面參數(shù)

表5 工字形截面參數(shù)

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(zhuǎn)動約束較小,因此可近似看做兩端鉸接。

測量設(shè)備包括試驗機配套的力傳感器、位移測量系統(tǒng)、變形測量系統(tǒng)、位移計等。位移計為量程25.4 mm的數(shù)顯百分表,布置于試件跨中以測量試件失穩(wěn)平面內(nèi)的水平位移,試驗裝置自帶位移測量系統(tǒng)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(jié)果

3.1 破壞形式

試驗結(jié)果顯示,四類試件在受荷時均存在局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)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(wěn)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(gòu)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(xù)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(wěn)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(xué)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(qū)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(jié)果與分析

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

表6 構(gòu)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(nèi)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(jié)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(wěn)與整體彎曲失穩(wěn)問題。長細比小于臨界長細比的構(gòu)件在受壓時以局部失穩(wěn)為主,長細比大于臨界長細比的構(gòu)件以整體失穩(wěn)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(zhuǎn)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(gòu)件,既能發(fā)揮其承載能力,又可減輕模型重量。

4)箱形構(gòu)件與正六邊形構(gòu)件的極限承載力較大,且兩者的回轉(zhuǎn)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(gòu)件。雖然正六邊形構(gòu)件的極限承載力較高,但也具有質(zhì)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(gòu)件。