竹皮及竹皮桿件的力學(xué)性能研究＊

許書藝，陳康澤，曹 洋，倪云祥

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院土木與機(jī)場工程系，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

竹皮作為一種節(jié)能環(huán)保材料，集高韌性、高彈性、高強(qiáng)度于一身，是一種較為理想的天然纖維材料，具有十分廣闊的應(yīng)用價值[2]。在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作過程中，各種竹皮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選用缺乏理論依據(jù)，構(gòu)件尺寸只能通過大量的模型制作及加載試驗(yàn)進(jìn)行不確定性選擇[3]。學(xué)生在進(jìn)行模型制作時，需要進(jìn)行大量的摸索和破壞實(shí)驗(yàn)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(jìn)，國內(nèi)相關(guān)研究者也對此做了一定的研究[4]。

黃慧茵等[5]測量了不同厚度和截面桿件的抗拉抗壓性能，得出雙層且邊長為9 mm/10mm的桿件效果最好；付善春等[6]對15個箱形截面受壓桿件進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件的抗壓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[7]研究了若干5 mm×5 mm和7 mm×7 mm方形空心壓桿的承載力，得出了竹材受壓強(qiáng)度可取30 MPa的結(jié)論，但并未對相應(yīng)構(gòu)件的破壞形態(tài)進(jìn)行分類，也未對構(gòu)件選擇提出建議；雷鳴宇等[2]對18個圓筒試件進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，0.5 mm厚的竹皮材料相比0.35 mm厚的竹皮材料，其抗壓強(qiáng)度更高，且竹筒高度越低，抗壓強(qiáng)度越高，并建議制作抗壓柱時，在適當(dāng)位置添加加勁肋，以提高試件整體與局部的穩(wěn)定性。

但是關(guān)于單層箱型竹皮桿件的長細(xì)比、寬厚比和內(nèi)部隔片對其受壓性能的影響方面的研究較少，所以制作了400余根不同尺寸不同長度不同厚度的桿件，通過大量的對比實(shí)驗(yàn)，用以研究長細(xì)比、寬厚比以及桿件中隔片間距對桿件強(qiáng)度的影響。選擇這3種條件作為變量的參照對象的原因如下：①長細(xì)比是桿件計(jì)算長度與桿件截面的回轉(zhuǎn)半徑之比，該量直接影響了桿件的穩(wěn)定系數(shù)，參考長細(xì)比對于實(shí)際工程中防范材料因失穩(wěn)現(xiàn)象而導(dǎo)致無法滿足預(yù)計(jì)承載力這一現(xiàn)象有著重要幫助；②寬厚比起到控制桿件的局部穩(wěn)定性的作用；③隔片起到桿件內(nèi)部加勁肋的作用，適當(dāng)?shù)母羝褂每梢栽黾訔U件的穩(wěn)定性能，但設(shè)置最合適最經(jīng)濟(jì)的隔片數(shù)量仍值得進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)概況

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次實(shí)驗(yàn)是為研究竹皮桿件的實(shí)際穩(wěn)定承載力及屈曲應(yīng)力，選用0.5 mm厚的竹皮制作試件，采用控制變量的實(shí)驗(yàn)方法，將實(shí)驗(yàn)分為了以下3大類。

第一類實(shí)驗(yàn)為研究桿件長細(xì)比對桿件強(qiáng)度的影響。根據(jù)受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)公式，試件的長細(xì)比越大，桿件越容易受壓失穩(wěn)，研究該實(shí)驗(yàn)是為了找出竹皮桿件受壓時能容許的最大長細(xì)比。對于這類實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備試件100余根，試件長度從2～16 cm不等，選取不同的截面尺寸，用每種類型的桿件同樣制作3根相同的試件，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

第二類實(shí)驗(yàn)為研究桿件寬厚比對桿件強(qiáng)度的影響。通常情況下，桿件的寬厚比越大，桿件越容易發(fā)生截面局部屈曲，研究該實(shí)驗(yàn)的目的是為了找出竹皮桿件受壓時能容許的最大寬厚比。針對這類實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)同樣準(zhǔn)備試件100余根，試件長度從2～16 cm不等，選取不同的截面尺寸，用每種類型的桿件同樣制作3根相同的試件，以減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

第三類實(shí)驗(yàn)為研究桿件中添加隔片的隔片間距對桿件屈曲強(qiáng)度的影響。一般在保證桿件的做工不出現(xiàn)缺陷的情況下，加肋柱和空心柱相比，抗壓性能明顯提升，但抗壓強(qiáng)度的提升和肋間距有較大的關(guān)系。肋間距越小局部屈曲強(qiáng)度提升幅度越大且質(zhì)量也將提升，肋間距越大局部屈曲強(qiáng)度提升幅度越小且質(zhì)量增加較小[8]。研究該實(shí)驗(yàn)的目的是為了找出一個最經(jīng)濟(jì)的肋間距，所謂最經(jīng)濟(jì)也就是在減少隔片到合理間距及減輕桿件的質(zhì)量同時對桿件整體的強(qiáng)度影響也不大。對于這類實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)共準(zhǔn)備試件180余根，試件長度分為12 cm、18 cm、24 cm這3種長度，且分別設(shè)置了不同隔片的間距，用每種類型的桿件制作3根相同的試件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.2 實(shí)驗(yàn)說明

實(shí)驗(yàn)所用材料采購于材料廠商的同一批竹皮，并充分考慮了溫度濕度對材料性能的影響，箱型桿件可以作為模型制作的主要構(gòu)件，在試件制作過程中，盡量挑選質(zhì)地均勻、沒有竹節(jié)的部分制作試件[9-10]。

本類實(shí)驗(yàn)的所有強(qiáng)度數(shù)據(jù)來源于壓力試驗(yàn)機(jī)（艾德堡HLD數(shù)顯推拉力計(jì)）。在測試過程中要避免試件偏心受壓，從而影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)加載過程及讀數(shù)過程如圖1、圖2所示。

圖1 加載過程

圖2 讀數(shù)過程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件破壞形態(tài)

大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，箱型桿件受壓破壞形態(tài)主要分為試件跨中破壞與試件端部破壞2大類，如圖3、圖4所示。

圖3 試件跨中破壞

圖4 試件端部破壞

3.1.1 試件跨中破壞（整體失穩(wěn)）

從圖3中可以看出，試件受壓破壞前有輕微的彎曲形變，達(dá)到極限荷載時，試件突然發(fā)生聲響并在跨中被折斷，隨后試件失效。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)生跨中破壞的試件多為細(xì)長桿件，其破壞形式表現(xiàn)為試件的整體失穩(wěn)。

3.1.2 試件端部破壞（局部失穩(wěn)）

從圖4中可以看出，試件破壞前沒有明顯彎曲形變，達(dá)到極限荷載時，伴隨著竹皮撕裂的聲音，試件發(fā)生端部破壞，隨后試件失效。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)生端部破壞的試件多為短粗試件，且這些試件的屈曲應(yīng)力較大。研究表明，這些短粗試件加載過程中未發(fā)生整體失穩(wěn)，其破壞形式表現(xiàn)為試件的局部失穩(wěn)。

3.2 試件中隔片作用的試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5、圖6、圖7為3種長度試件分別設(shè)置不同隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在不同的長度下，試件的屈曲應(yīng)力都隨隔片間距的增大而減少。當(dāng)隔片間距過大時，其不能起到加強(qiáng)試件局部強(qiáng)度的作用，會降低試件的屈曲應(yīng)力；當(dāng)隔片間距過小時，雖然能保證試件的屈曲應(yīng)力增大，但會降低隔片的利用率，導(dǎo)致試件的質(zhì)量增大，不符合隔片經(jīng)濟(jì)性原則。

圖5是12 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系圖，從圖中可以看出，桿件強(qiáng)度隨著隔片間距的增大，其整體呈減小趨勢。在截面4 cm×5 cm的桿件曲線處，隔片間距為2 cm的試件強(qiáng)度比隔片間距1.5 cm的試件強(qiáng)度高，此處認(rèn)為是人為制造誤差所造成的（如試件制作過程中竹節(jié)的差異）。

圖5 12 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系

圖6、圖7分別是18 cm、24 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系圖，從圖中可以看出試件的屈曲應(yīng)力隨著間距的增大而下降，考慮隔片經(jīng)濟(jì)性原則，認(rèn)為隔片間距為4～6 cm最優(yōu)。

圖6 18 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系

圖7 24 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系

3.3 長細(xì)比與寬厚比的試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為不同寬厚比下桿件屈曲應(yīng)力與長細(xì)比的關(guān)系曲線。試驗(yàn)中均采用0.5 mm厚的竹皮材料，因此改變箱形截面尺寸，即可控制寬厚比變化；保持箱形截面尺寸不變，改變桿件長度，即可控制桿件長細(xì)比的變化。

3.3.1 桿件屈曲應(yīng)力與長細(xì)比的關(guān)系

從圖8中可以看出，當(dāng)寬厚比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著長細(xì)比的增加呈整體下降趨勢。不同寬厚比下，當(dāng)長細(xì)比小于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力近似呈線性穩(wěn)定下降；當(dāng)長細(xì)比大于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力迅速下降。研究表明，因?yàn)橹衿げ牧系娜毕菹鄬^多，當(dāng)桿件長度增加時，缺陷也相應(yīng)增加，加之長細(xì)比增大，桿件越容易發(fā)生整體失穩(wěn)，所以桿件的屈曲應(yīng)力減小。當(dāng)桿件長細(xì)比小于臨界長細(xì)比時，屈曲應(yīng)力隨單位長度缺陷的增加而穩(wěn)定下降；當(dāng)桿件長細(xì)比大于臨界長細(xì)比時，屈曲應(yīng)力驟降。

3.3.2 桿件屈曲應(yīng)力與寬厚比的關(guān)系

從圖8中可以看出，當(dāng)長細(xì)比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著寬厚比的增加而減小。研究表明，因?yàn)橹衿げ牧系娜毕菹鄬^多，當(dāng)桿件寬度增加時，缺陷相應(yīng)增加，加之寬厚比增大，桿件越容易發(fā)生局部失穩(wěn)，導(dǎo)致桿件的屈曲應(yīng)力減小。

圖8 不同寬厚比下桿件屈曲應(yīng)力與長細(xì)比的關(guān)系曲線

3.3.3 長細(xì)比與寬厚比對桿件屈曲應(yīng)力的綜合影響

研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際桿件破壞時受整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)共同作用。桿件長度一定時，為了防止桿件整體失穩(wěn)，試驗(yàn)中采用增加箱形截面尺寸的方式減小長細(xì)比，即增大截面寬度，但是這樣又會使桿件的寬厚比增大，增加了桿件發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性。隨著長細(xì)比的減小，寬厚比的增大，當(dāng)發(fā)生屈曲應(yīng)力不上升反而下降的現(xiàn)象時，稱此時的狀態(tài)為臨界狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)控制桿件寬厚比不變，通過增加桿件長度增加長細(xì)比，當(dāng)桿件長細(xì)比達(dá)到與寬厚比相應(yīng)的臨界長細(xì)比時，桿件屈曲應(yīng)力驟降，此時即為臨界狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同寬厚比與其相應(yīng)的臨界長細(xì)比大致呈反比關(guān)系，乘積約為600，如圖9所示。

圖9 臨界狀態(tài)下長細(xì)比與寬厚比的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

試件中間的隔片具有一定提高試件抗壓強(qiáng)度的能力，且隨著隔片數(shù)量的增加，試件屈曲應(yīng)力增大。如果隔片的間距設(shè)置過小，則會降低隔片的利用率。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隔片間隔的距離應(yīng)設(shè)置為4～6 cm。

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(xì)比小于臨界長細(xì)比的構(gòu)件在受壓時以局部失穩(wěn)為主，長細(xì)比大于臨界長細(xì)比的構(gòu)件以整體失穩(wěn)為主。

當(dāng)寬厚比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著長細(xì)比的增加呈整體下降趨勢。不同寬厚比下，當(dāng)長細(xì)比小于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力近似呈線性穩(wěn)定下降；當(dāng)長細(xì)比大于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力迅速下降；當(dāng)長細(xì)比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著寬厚比的增加而減小。研究表明，因?yàn)橹衿げ牧系墓?jié)點(diǎn)缺陷相對較多，當(dāng)桿件寬度增加時，缺陷相應(yīng)增加，加之寬厚比增大，桿件越容易發(fā)生局部失穩(wěn)，導(dǎo)致桿件的屈曲應(yīng)力減小。臨界狀態(tài)下，桿件的長細(xì)比與寬厚比大致呈反比關(guān)系，系數(shù)約為600。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，只研究了受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性能，未考察壓彎構(gòu)件的承載力，桿件缺陷的大小及分布也沒有準(zhǔn)確測量。