结构设计竞赛竹材力学性能研究

侯应贵 朱忠超 胡胜立 丁超峰

【摘 要】为研究结构设计竞赛所用竹材的力学性能，制作了一批竹材试件来探究不同竹材厚度及刷胶层数对抗拉承载力的影响。试验结果表明竹皮的受拉承载力随着厚度的增加而增加，且在表面刷胶可以提高其承载力，但提升比例小于质量的增加比例；三类竹条中截面尺寸为3×3mm的受拉承载力较高。

【关键词】结构设计；竹材；稳定；力学性能

【中图分类号】TU318 【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）07-0002-01

全国大学生结构设计竞赛旨在培养大学生的创新思维和动手实践能力，要求学生自主进行模型的结构设计、制作。在规定时间内完成赛题要求的承载能力试验并根据荷重比来评定获奖等级[1-5]，近年来，这一竞赛逐渐成为土木工程学科的重要赛事。在模型结构设计的过程中不仅要考慮杆件受力得当、布置合理，还要充分发挥材料的力学性能[6]，但由于缺乏相关竹材的力学性能试验数据，只能进行大量的尝试来制作模型并确定模型中各根杆件的参数，故笔者对结构设计竞赛所用竹材的力学性能进行了相关的试验研究，希望能为参赛者提供一定的材料性能设计依据。

一、试验概况

1.试件设计。

结构设计竞赛中一般多选用竹皮或竹条作拉条，受压构件常选用箱形截面。此外，在多次参加与制作过程中发现在竹皮外层刷胶可以提高竹皮的承载力，故笔者针对两种构件形式及不同刷胶层数进行相应的试件设计。

受拉试件包括竹条受拉试件和竹皮受拉试件。其中，竹皮受拉试件选用0.2mm、0.35mm、0.5mm三种不同厚度的竹皮按设计尺寸制作，并在同类试件上做不刷胶与刷1、2、3层胶处理以进行对比研究；竹条一般在使用时不做刷胶处理，故竹条受拉试件不做刷胶对比试验[7]。每种类型试件以5个为1组，取平均值为试验结果。

2.材料特性和试件制作。

试验所用竹材购于全国大学生结构设计竞赛指定厂商的同一批竹皮、竹条。由于竹皮为多层复合材料，为保证试件的材质，试件制作时尽量选用材质均匀、竹节较少的竹材。

竹皮受拉试件制作时先用剪刀裁成设计尺寸，后在两端贴片加强，以防止两端破坏并达到方便夹持的效果，具体见图1，竹条受拉试件两端作同样处理。刷胶时先将胶水滴在试件表面后立刻用502细长圆胶头来回涂抹均匀，需控制所滴胶水瞬间被竹材吸收且表面无多余积胶。竹皮受拉试件进行两面刷胶，试件实物图如图2所示。

为便于分析分析，将0.2、0.35、0.5mm竹皮分别记为ZPA、ZPB、ZPC，将1×6mm、2×2mm、3×3mm竹条分别记为ZTA、ZTB、ZTC，ZPA表示厚0.2mm的A类竹皮，2表示刷胶2层。ZPB表示厚0.35mm的B类竹皮，0表示刷胶0层，即不刷胶。

3.试验装置及加载制度。

试件质量称重采用JCS-21002C精密天平，最大称重2000g，感量0.01g。试验加载装置采用ZQ-990L系列万能试验机，最大试验力为5KN。试验中试件以2mm/min进行位移加载，试验数据由试验机自动采集，当试件出现破坏或断裂的情况，试验即终止[8]。实验装置如图3所示。

二、受拉试件试验

1.竹皮受拉试件。

1.1 试件破坏形态。

竹皮受拉试件的破坏形态主要有2种，如图4所示。

（1）正截面断裂。

试件在加载至极限荷载前时无明显现象，加载至极限荷载后突然发生脆性破坏，并伴有很大的响声，且多在薄弱处呈锯齿状断裂[9]。如图4（a）所示，此破坏形态多发生于作刷胶处理的试件，且刷胶层数越多，断裂处越接近试件中部。60个试件中共有39个发生正截面断裂。

（2）斜截面断裂。

随着荷载的不断增加，当加载至接近极限荷载时，逐渐发出竹皮间纤维开裂声音，加载至极限荷载后伴随巨响试件发生脆性断裂，断裂面呈斜向，且锯齿范围起伏较大。如图4（b）所示，此破坏形态多发生于不刷胶试件，且斜裂缝的长度随着竹皮厚度的增加而增加，60个试件中共有21个发生正截面断裂。

（a）正截面断裂 （b）斜截面断裂

1.2 试验结果及承载力分析。

试件加载结果如下表所示。

由试验结果作出不同厚度竹皮极限承载力与刷胶层数的关系曲线如图5所示。从曲线及表1中数据可以看出：竹皮厚度越大，试件承载力越大；同类试件的承载力随刷胶层数的增加而近乎线性提升，且提升比例小于质量的提升比例。

2.竹条受拉试件。

2.1 破坏形态。

试件在极限荷载之前无明显现象，当荷载加载至极限荷载后竹条受拉试件突然发生脆性断裂，且断裂处多接近于两端。从图6中可以看出，这15个竹条受拉试件中有11个表现为正截面断裂，4个试件表现为斜截面破坏。

2.2 试验结果及承载力分析。

竹条受拉试件试验结果如表2所示，从表中可以看出三种竹条中竹条C的承载力最佳，且荷重比较大。

三、结论

文章针对结构设计竞赛所用竹材的受拉性能进行了试验，研究了竹材不同厚度及刷胶层数对抗拉承载力的影响，得到了以下结论：

（1）三种不同厚度的竹皮，抗拉强度随厚度增加；竹条的抗拉强度优于竹皮。0.35mm与0.5mm厚竹皮的抗拉强度较为接近分别为68.12MPa、63.19MPa。

（2）竹皮材料的受拉承载力随厚度的增加而增加，且外层刷胶可以提高其受拉承载力，刷胶层数越多，承载力提升越高，但提升比例小于质量的提升比例。

参考文献

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