竹皮軸壓箱形構(gòu)件整體穩(wěn)定性能試驗研究

聶詩東 張輝 李靜堯 陳志

摘要：基于114個竹皮箱形截面柱進行了軸心受壓試驗，研究了0.35 mm與0.5 mm兩種厚度規(guī)格竹皮制作的等邊箱形截面柱在不同寬厚比下的整體穩(wěn)定性能?；谠囼灲Y(jié)果，分析了竹皮箱形截面柱的失穩(wěn)破壞形態(tài)和整體穩(wěn)定系數(shù)。試驗結(jié)果表明，箱形截面構(gòu)件在受荷時同時存在局部失穩(wěn)與整體彎曲失穩(wěn)，其中，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。通過對試驗數(shù)據(jù)分析擬合，計算了兩種規(guī)格竹皮各3種寬厚比箱形截面構(gòu)件的臨界長細比值，提出了竹皮軸壓箱形構(gòu)件柱子曲線與承載力設(shè)計方法，為學(xué)生在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中進行構(gòu)件截面設(shè)計提供科學(xué)的理論依據(jù)和計算公式。

關(guān)鍵詞：竹皮;箱形截面柱;整體穩(wěn)定性能;局部失穩(wěn);結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽;柱子曲線

中圖分類號：G642.423 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2022）01-0163-08

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是由教育部、財政部首次聯(lián)合批準發(fā)文的全國性9大學(xué)科競賽資助項目之一，也是土木工程專業(yè)的最高水平賽事之一，自浙江大學(xué)2005年承辦第一屆始，已舉辦13屆。大賽旨在進一步培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、團隊協(xié)同和工程實踐能力[1-2]，切實提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。從第5屆開始，競賽選用的材料均為以楠竹為原材料加工制作的竹皮，然而，隨著大賽的開展，模型制作和構(gòu)件設(shè)計方面的不足日漸顯現(xiàn)。由于缺乏竹皮構(gòu)件設(shè)計的理論指導(dǎo)，學(xué)生在進行模型制作時，需要進行大量的摸索和破壞實驗以尋求最優(yōu)方案。這種低效尋求最優(yōu)解的現(xiàn)狀亟待改進，國內(nèi)相關(guān)研究者也對此做了一定的研究。

常林海等[3]進行了竹皮的材料力學(xué)性能試驗，得到了彈性模量、極限抗拉強度，并擬合得到了受拉構(gòu)件極限承載能力與構(gòu)件寬度的關(guān)系。雷鳴宇等[4]對18個圓筒試件進行了軸壓試驗，試驗結(jié)果表明，0.5 mm厚度竹皮材料相比0.35 mm厚度，其抗壓強度更高，且竹筒高度越低，抗壓強度越高;并建議制作抗壓柱時，在適當位置添加加勁肋，以提高試件整體與局部穩(wěn)定性。付善春等[5]對15個箱形截面受壓桿件進行了試驗，發(fā)現(xiàn)試件的抗拉承載力與試件的截面面積之間沒有明顯的正比關(guān)系。賈新聰[6]測試了濕度、層數(shù)和寬度等參數(shù)對材料抗拉性能的影響，并對0.35 mm和0.5 mm兩種厚度竹皮制作的48個箱形截面壓桿進行了試驗研究，結(jié)果表明：竹皮壓桿在一定高度范圍內(nèi)發(fā)生強度破壞，其抗壓強度不隨桿件高度改變而發(fā)生改變;但超過該范圍后，同種規(guī)格試件的抗壓強度隨著試件高度的增加而降低，此時竹條受壓破壞主要是由于桿件失穩(wěn)引起的。上述研究為結(jié)構(gòu)設(shè)計分析和計算機模擬提供較為精確的材料性能數(shù)據(jù)，但仍未提出科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法。

除了在材料和構(gòu)件性能方面的研究外，有關(guān)結(jié)構(gòu)選型[7]、設(shè)計制作分析[8-9]、組隊方式[10]和教學(xué)啟示[11]等方面的研究也日趨豐富。

竹皮構(gòu)件的既有研究局限于定性分析了竹皮受壓柱極限抗壓強度與寬度及長細比的關(guān)系，尚無對構(gòu)件的穩(wěn)定性研究，不能較好指導(dǎo)構(gòu)件的設(shè)計。為改善以模型破壞試驗尋求最優(yōu)解的現(xiàn)狀，并為參賽者進行箱形截面構(gòu)件截面設(shè)計時提供科學(xué)的理論指導(dǎo)，開展竹皮箱形截面柱整體穩(wěn)定性能的試驗，計算了臨界長細比值，并提出竹皮箱形截面柱的柱子曲線與整體穩(wěn)定性能的設(shè)計方法。

一、試驗概況

（一）試件設(shè)計

試驗所用竹皮由杭州邦博（BAMBOO）科技有限公司提供，與結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽所用材料為同一供應(yīng)商。試驗前，對竹皮實際厚度進行了測量，其中0.35 mm規(guī)格竹皮實際平均厚度為0.4 mm，0.5 mm規(guī)格竹皮實際平均厚度為0.5 mm。

設(shè)計了0.35 mm與0.50 mm兩種厚度竹皮等邊箱形截面受壓柱試件共114個，如圖1 所示。每種規(guī)格箱形截面柱試件設(shè)置3種寬厚比：0.35 mm竹皮箱形截面柱寬厚比b/t為12.5、20和30;0.5 mm竹皮箱形截面柱寬厚比b/t為10、16和24。相同寬厚比試件的長細比λ設(shè)置為10～100，增長梯度為5。

因長細比相同構(gòu)件的穩(wěn)定承載力受構(gòu)件加工質(zhì)量和制作工藝影響較大，而構(gòu)件加工質(zhì)量的好壞主要表現(xiàn)在構(gòu)件初彎曲的大小。參考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，構(gòu)件初彎曲不超過1/1000。經(jīng)測量統(tǒng)計，研究制作的構(gòu)件初彎曲均不超過該值。

（二）材料性能試驗和短柱試驗

0.35 mm和0.5 mm兩種規(guī)格竹皮各取10個長160 mm、寬8 mm的材性試件，通過靜力拉伸試驗獲取材料的基本力學(xué)性能（包括彈性模量E、抗拉強度fu、極限應(yīng)變εu），試驗結(jié)果的平均值見表1。每種寬厚比（b/t）構(gòu)件各取5個高寬比（h/b）均為2的短柱試件，試件尺寸及長細比λ見表2，并通過軸壓試驗獲取其局部失穩(wěn)極限應(yīng)力σu值，試驗結(jié)果的平均值見表2。

（三）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，因此可近似視為兩端鉸接。

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。

二、試驗結(jié)果及分析

（一）試件破壞形式及變形分析

試件典型的失穩(wěn)破壞形態(tài)如圖2所示。構(gòu)件在受荷時同時存在局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定問題，但長細比小于臨界長細比的試件，以局部失穩(wěn)破壞為主，如圖2（a）所示。發(fā)生局部失穩(wěn)時，試件局部呈波浪狀，各截面均達到局部屈曲臨界荷載。在加載初期荷載位移呈線性變化，隨著荷載逐漸增大，組成構(gòu)件的板件開始發(fā)生局部屈曲，板件從上至下呈波浪形，初始波幅較小，此時已有部分板件退出工作，但構(gòu)件仍具有一定的屈曲后強度，隨著荷載繼續(xù)增大，板件波幅也繼續(xù)增大，最終由于波幅過大引起試件破壞。長細比大于臨界長細比的試件，以整體失穩(wěn)破壞為主，如圖2（b）所示。試件一經(jīng)加載即產(chǎn)生撓曲，而撓度v不是隨著壓力N按比例增加，開始時，撓度增加慢，隨后增加較快，如圖4、圖5所示。當撓度增加到一定程度時，桿件中點截面在軸力N與彎矩N·v作用下，受壓側(cè)板件應(yīng)力達到局部屈曲臨界應(yīng)力，此時，板件開始發(fā)生凹凸，即產(chǎn)生局部屈曲，當達到局部屈曲極限應(yīng)力時，試件破壞，豎向承載力開始下降。圖3、圖4和圖5分別為試件典型整體失穩(wěn)試件的荷載—豎向位移曲線、跨中位移—時間曲線和荷載—橫向位移曲線。

（二）整體穩(wěn)定系數(shù)

軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)φ表征構(gòu)件失穩(wěn)時極限承載力與短柱極限承載力的比值，即

其中，β取值見表3，彈性模量E與極限強度σu取實測值，見表1、表2。

（二）箱形截面構(gòu)件設(shè)計建議

竹皮構(gòu)件穩(wěn)定承載力受材料本身初始缺陷與構(gòu)件制作加工水平的影響較大，在進行截面設(shè)計時，不能僅套用計算公式，還需對材料缺陷率與制作加工水平進行總體評定。在進行了箱形截面試件的試驗與理論研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出箱形截面構(gòu)件設(shè)計的建議。

（1） 構(gòu)件的穩(wěn)定承載力主要受竹節(jié)、微裂縫、初彎曲等初始缺陷的影響。對于材料本身的缺陷，可通過滴加膠水或貼竹皮的方式進行補強或在設(shè)計時對其實測強度進行折減，強度的折減系數(shù)可根據(jù)補強方式制作相應(yīng)的試件通過試驗確定。

（2）本試驗制作的構(gòu)件無明顯彎曲、扭轉(zhuǎn)等缺陷，質(zhì)量較好，試件均未發(fā)生因制作加工原因?qū)е碌木植科茐?，計算公式并不適用于存在制作加工缺陷的構(gòu)件。對制作加工質(zhì)量缺陷的考慮，可基于制作加工者的手工制作水平和其加工的構(gòu)件的缺陷率，按照一定的承載力保證率對穩(wěn)定系數(shù)進行折減。

（3）對6種寬厚比試件進行了試驗與理論分析，從結(jié)果可以看出，對于同一長細比，0.35 mm規(guī)格竹皮構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)與寬厚比大致呈負相關(guān)，0.5 mm規(guī)格竹皮構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)與寬厚比大致呈正相關(guān)。因此，當制作的構(gòu)件剛好為本文所研究的相同寬厚比構(gòu)件時，可直接利用公式進行計算;當制作的構(gòu)件為其他寬厚比時，可通過適當調(diào)整穩(wěn)定系數(shù)進行設(shè)計，以保證設(shè)計值相對準確。

四、結(jié)論

（1）箱形截面構(gòu)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。

（2）得到0.35 mm與0.5 mm兩種規(guī)格竹皮箱形截面構(gòu)件柱子曲線。對于0.35 mm規(guī)格竹皮箱形截面構(gòu)件，寬厚比越小，構(gòu)件局部失穩(wěn)破壞與整體失穩(wěn)破壞的臨界長細比值越大，且對于同一長細比，構(gòu)件寬厚比越小，整體穩(wěn)定系數(shù)值越大;對于0.5 mm規(guī)格竹皮箱形截面構(gòu)件，寬厚比越小，構(gòu)件局部失穩(wěn)破壞與整體失穩(wěn)破壞的臨界長細比值越小，且對于同一長細比，構(gòu)件寬厚比越小，整體穩(wěn)定系數(shù)值越小。

（3）計算了兩種規(guī)格竹皮各3種寬厚比箱形截面構(gòu)件的臨界長細比值。對0.35 mm厚竹皮，寬厚比為12.5、20和30的試件，其臨界長細比分別為54.8、49.0和38.7;對0.5 mm厚竹皮，寬厚比為10、16和24的試件，其臨界長細比分別為49.0、54.8和63.2。

（4）通過理論分析與數(shù)據(jù)擬合，得出兩種規(guī)格竹皮各3種寬厚比箱形截面構(gòu)件的極限承載力計算公式，并提出了箱形截面構(gòu)件的設(shè)計建議。

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Abstract： Axial compression test is carried out based on 114 bamboo skin box-section columns， and the overall stability performance of equilateral box-section columns made of bamboo skins with 0.35mm and 0.5mm thickness specifications under different width-to-thickness ratios is studied. Based on the test results， the instability failure form and the overall stability coefficient of the bamboo skin box-section column are analyzed. The test results show that when the box-section member is loaded， there are both local instability and overall bending instability. Among the members with a slenderness ratio less than the critical slenderness ratio， local instability is the main component under compression， and overall instability is dominant in the members with a slenderness ratio greater than critical slenderness ratio. By analyzing and fitting the test data， the critical slenderness ratios of the box sections with three width and thickness ratios of two types of bamboo skins are calculated， and the design method of the column curve and bearing capacity of the box members with axial compression of bamboo skins is proposed， which provides scientific theoretical basis and calculation formula for the section design of members in the structural design competition.

Key words： bamboo skin; box-section column; overall stability; local instability; structural design competition; column curve

（責(zé)任編輯 鄧 云）