结构设计竞赛中的受拉竹条力学性能实验及选用方法_王永宝.pdf

竹子学报，（）：收稿日期：基金项目：山西省基础研究计划项目（）；山西省高等学校科技创新项目（）；山西省教学改革创新项目（、）；太原理工大学教学改革创新项目（）；山西交通控股集团项目（）作者简介：王永宝，讲师，博士，从事土木工程教学研究。：。通讯作者：聂云靖，讲师，博士，从事土木工程教学研究。：结构设计竞赛中的受拉竹条力学性能实验及选用方法王永宝，张子健，史佳玉，聂云靖，都 静（太原理工大学 土木工程学院，山西 太原）摘 要 受拉竹条是全国大学生结构设计竞赛中的常用杆件，但目前对受拉竹条科学选用方法的研究较为欠缺。因此，针对太原理工大学结构设计竞赛中常用的 、和 这 种不同截面竹条开展受拉力学性能实验研究，探究含水率、质量、维管束数量和刨磨处理等因素对抗拉极限承载力的影响。研究结果表明：竹材强度随含水率增加先增大后减小，最佳含水率为；对未处理的杆件，抗拉极限承载力与杆件质量存在线性关系；杆件质量相近时，可通过维管束数量和竹条颜色选择受拉竹条；通过刨磨处理杆件稀疏维管束，可减轻质量，提高荷质比；研究结果可为结构设计竞赛中受拉竹条科学选用提供参考依据。关键词 结构设计；力学；受拉竹条；试验；选用方法 ，（，），；，；大学生结构设计竞赛作为一项全国广泛参与的竞争性项目，对激发学生的学习欲望、发散思维和提高综合创新实践能力至关重要。近年来，随着全国大学生结构设计竞赛赛制日趋完善，模型主体材料逐渐限制为竹复合材料。而结构模型的整体受力会受到竹条和竹皮材料构件本身特性影响，需通过大量破坏试验寻求最优方案。且由于竹材为各向异性材料，其顺纹抗拉能力突出。为使结构模型达到轻质高强的目的，就需要在结构设计时尽可能多地选用受拉构件。虽然受拉竹皮和竹条均可用于受拉杆件，但竹皮拉条较多受到竹节缺陷影响，杆件存在断裂危险。为保证整体结构模型的安全性，需在模型制作前选择合适的竹条制作受拉杆件，即受拉构件的筛选与处理将直接决定模型的极限承载能力。针对受拉竹条力学性能研究，相关学者开展了大量力学试验：如常海林等指出 竹皮适合制作受拉构件，但实践发现，竹皮材料缺陷较竹条多，导致不同杆件间的力学性能差异明显；贾新聪测试了竹皮和竹条的抗拉强度，试验发现竹条的抗拉强度在 之间，是竹皮的 倍，且受拉竹皮和竹条材料需尽量采用无明显节点的竹材。另外，王永宝等，等就竹皮制作的受压箱型空心短杆和长杆开展了力学试验，得到了其抗压强度与荷质比的变化规律。但上述试验未就质量密度和维管束数量对竹条抗拉强度的影响规律开展分析，也未给出一种较为合理的受拉竹条选择方法。大学生结构设计竞赛竹条材料取自毛竹的竹壁部分，而由竹壁部分烘干裁切生产的竹条在其截面内的维管束密度不均匀，导致在力学性能上差异较大：近青面较近黄面的维管束更为密实。维管束周围纤维不同的密实度与含水率随时间的变化又会导致竹材密度的不同。受复杂参数的强度影响，受拉竹条的选择存在较多困难。通过大量实验，并结合控制变量法对 ，和 这 种不同截面受拉竹条抗拉极限承载力与含水率、天然密度、维管束数量与刨磨加工的关系开展探究，在试验研究结果的基础上提出一种受拉竹条的选择原则及测试方法，由此提出的试验结果和选择方法可为参赛队员在选择受拉竹条时提供参考。试验概况试验加载装置采用济南川佰试验仪器有限公司生产的电子拉、压试验机。竹材的力学性能测试采用文献和 中关于竹材顺纹抗拉强度方法开展，即上下两侧固定竹条，在 时间内匀速加载至构件破坏失效，稳定拉力值作为试件抗拉极限承载力。现有规范中需要制作长，厚度 的竹材进行顺纹抗拉强度测试，加载速率 。而结构设计竞赛组会委提供的构件尺寸最大厚度不满足规范规定要求，因此，笔者通过小尺寸杆件自主制作构件开展试验，试验的实际受力状态与竞赛模型加载过程相吻合。试验竹条由杭州邦博科技有限公司提供，与结构设计大赛国赛所提供材料为同一供应商。竹条截面尺寸分为 、和 这 种形式。构件制作过程尽量选用均匀材料，将竹条去除中间有竹节节点的部分，并在竹条的端头粘贴小竹条，制作成长度为 的构件，见图（）。在拉力机夹具头处受拉竹条接触的位置垫以砂纸并局部贴皮加固，见图（），以此增大受拉竹条与拉力机之间的摩擦力，从而保证竹条在中间的薄弱部位发生断裂，图（）。杆件质量采用量程为 的电子秤进行测试。强度与含水率关系为模拟不同含水率下的竹条受力性能，考虑到结构竞赛比赛的实际环境条件，仅可将竹条放置于水中浸泡不同时间以提高其含水率。相同的 组杆件浸泡不同时间（、）后，擦干去掉表面水分，然后将其放置于密封塑料袋中持续 ，让水分尽量分布均匀；其中一组称重后放入烘箱，竹子学报第 卷图 试件构件及加载过程（）待测杆件（）试件夹具处加固（）刨子 （）（）（）后取出放入自然环境下冷却，测试烘干后杆件质量，另一组用拉力机测试抗拉极限承载力。根据前后质量可求得杆件含水率。该次试验前测试的天然状态杆件含水率为。试验选取 和 这 种截面，一组内采用杆件长度为 的竹条 根。由于 竹条截面过小，其强度主要由纤维缺陷决定，因此仅分析 与 竹条的试验结果。图 含水率与浸泡时间及抗拉极限承载力的关系（）含水率与浸泡时间关系（）抗拉承载力与含水率关系 （）（）图（）和（）分别给出了含水率与浸泡时间，抗拉极限承载力与含水率的关系。从图（）可知，竹条的浸泡时间与含水率呈正比，和 截面竹条的相关系数分别为 和 ，水中浸泡 后含水率提高近，可通过水中浸泡的方式提高竹材构件的含水率。由图（）可知，随含水率增加，极限承载力先增加后减小，含水率为 时，出现极值，此时 竹条抗拉极限承载力达到 。含水率对竹材抗拉性能影响呈凸函数，含水率过低或过高均会在一定程度上降低抗拉极限强度，强度降幅在 。竹材存在最优含水率的主要原因在于竹纤维存在饱和状态，不饱和和过渡饱和均对强度有显著影响。该文分析结果与贾新聪、陈琦等研究得到毛竹竹材在含水率 之间出现纤维饱和点的结论相符合。第 卷第 期王永宝等：结构设计竞赛中的受拉竹条力学性能实验及选用方法 强度与天然密度关系通过对 根长度为 未经任何处理的竹条进行称重，发现样本的质量会在平均质量上下 的范围内浮动，即 杆件质量波动范围超过平均质量 的，杆件质量波动范围超过平均质量 的，杆件质量波动范围超过平均质量 的，说明不同型号图 抗拉承载力与质量的关系 的相同杆件质量存在显著差异。为研究竹条抗拉极限承载力与天然密度之间的关系，对 、和 这 种截面杆件，裁取长度为 的拉条，根据自然质量大小划分 个梯度（每个代表样本质量差满足 ），采用图（）所示拉力机进行受拉极限承载力测试，得到的抗拉极限承载力与质量之间的关系如图 所示。由图 可知，由于 截面杆件的尺寸较小，质量在 之间，极限承载力均小于 ；截面的杆件抗拉极限承载力均大于 ，但实际应用中，截面杆件侧面粘贴面积较小，且杆件整体刚度较大，若受拉过程中竹条出现剪切力，则容易出现破坏；而 竹条截面面积和质量介于两者之间，且具有较高的抗拉极限承载力，大于，在比赛中常被采用。由图 还可以看出，在相同体积下，无论是何种截面的竹条样本，均是质量越大，抗拉极限承载力越大，两者呈现出较强的线性关系。说明在比赛现场可通过比较相同体积竹条质量的方式，在宏观上筛选出密度较大的材料，以适用于不同承载力水平的结构构件。当承载力在 之间时，可选用 竹条；当承载力在 时，优先选用 竹条，且计算所需承载力越大，结构越重要，应选择天然密度更大的杆件。强度与维管束数量的关系 天然强度实验过程中发现，即使是相同质量的受拉杆件也存在抗拉极限承载力不一致的情况，在排除试验误差后发现：竹条的维管束分布与毛竹竹皮维管束有相似的分布形式，而维管束数量是影响抗拉极限承载力的关键因素，见图。因此，为探究维管束数量与抗拉极限承载力的关系，以 和 这 种截面、长度 的竹条开展研究。通过放大镜观测 与 竹条横截面上维管束，可判断出分布稀疏的近黄侧与分布密集的近青侧，见图（）。而 竹条截面积过小，维管束数目差异不明显，且截面边缘维管束大量被劈开失效，所以主要分析 和 竹条的力学性能。统计分析发现，受截面面积限制，天然状态下未经过加工的 与 截面竹条的维管束数量大多分布在 根之间，见图（）。试验时首先在 个竹条样本中按照维管束数量（数量为、）分组，相同维管束数量的竹条各 个，将各个竹条开展质量测试。由同样维管束数量的样本组求质量平均值，绘制质量与维管束数量的关系如图（）所示。另外，在质量测试完成后开展受拉承载力测试，取得图（）的抗拉极限承载力与维管束数量的关系实验结果。由图（）可知，维管束与单位体积质量之间有一定相关性，即随维管束数量增加，杆件质量明显增加。竹子学报第 卷图 维管束编号及分布示意图（）竹条（）毛竹维管束分布 （）（）图 维管束对抗拉极限承载力的影响（）质量与维管束数量关系（）强度与维管束数量关系 （）（）对杆件长度固定杆件，维管束数量增加会引起杆件质量增加 。而图（）则说明在质量相近的情况下，维管束数量增加后，主要承受外力的维管束密度增加，对增加竹条抗拉极限承载力有一定积极作用。尤其，当截面维管束数量增加后，竹条样本的承载力可增加 。由于只观察了宏观上截面维管束数量，不能排除由加工时维管束方向倾斜于切割方向导致的维管束中断及维管束本身粗细带来的强度差异，所以图（）中存在个别不完全符合规律的数据。刨磨后强度图 可以发现受拉竹条维管束在截面上分布不均匀。维管束较密区域的竹纤维较多，抗拉极限承载力显著，稀疏部分的抗拉极限承载力较低，仅通过截面维管束数量来选择竹条略显粗糙。为提高受拉竹条的使用效率和荷质比，采用图（）中的刨子等工具对 的竹条进行处理，即按照图 中维管束分布情况，刨掉约 厚度维管束稀疏的一侧，并打磨缺陷。打磨后发现，受竹材取用部位和加工工艺影响，表面呈现偏黄和偏白两种颜色，见图（）。而不同颜色竹条的抗拉性能也存在较大差异。为研究不同维管束数量、打磨后剩余质量及表观颜色（偏黄和偏白）的 截面竹条抗拉极限承载力变化规律。该实验共采用 根长度为 的受拉竹条开展刨磨处理。为明显观测维管束数量对抗拉极限承载力的影响，并减小试验规模，选取维管束数量为、和 根的 类杆件，根据颜色分为偏黄和偏白 种，对同一维管束数量及颜色的竹条在近黄侧（维管束稀疏侧）开展刨磨处理，根据刨磨处理材料的深度不同得到不同质量的杆件，由于刨磨质量大小受手工影响较大，相同杆件质量之间有差异，每组相同条件试件中包含 个质量差不超 的样本，试验质量和抗拉极限承载力均取其平均值。对上述试件开展质量和抗拉极限承载力测试实验，图（）、（）分别给出了抗拉极限承载力、荷质比与维管束密度、质量及表观颜色的关系。第 卷第 期王永宝等：结构设计竞赛中的受拉竹条力学性能实验及选用方法 图 竹条维管束分布情况（）竹条刨磨保留部分（）竹条表观颜色差异 （）（）图 试件破坏形态、承载力与荷质比曲线（）破坏形态（）承载力曲线（）荷质比曲线 （）（）（）由图（）可知试验竹条的破坏方式为纵向纤维撕裂与纤维之间剪切破坏 种形式，为理想破坏方式。对比图 和图（）、（）可知，由于杆件质量与刨磨保留截面尺寸紧密相关，而刨切工艺只保留维管束密集部分，所以维管束数量越少，在截面一定的情况下，束的竹条刨切部分较多，质量较小，束偏白杆件的最小质量为 ，较竹条原有的 质量明显降低，抗拉极限承载力由未刨磨的 降低到现在的，但荷质比随着质量的减小而显著提高，提高约 。对于维管束数量较少的这一类拉条抗拉极限承载力较低，在比赛中可作为非主要受拉构件，但可以通过刨磨方式提高荷质比。同维管束组中，除了 根维管束以外，根和 根杆件的极限承载力在进行刨磨处理后的强度也大于 。且偏黄试件普遍比偏白试件极限承载力高 ，荷质比高 ，但质量普遍大.左右，说明表观颜色一定程度上可以用于杆件选择。不同颜色的构件与竹材原始材料采用竹黄和竹青部分制作有关，竹子管壁内外之间的维管束数量和纤维强度存在显著差异，这是不同颜色构件强度存在差异的主要原因。试验的 束偏黄构件的承载力最大，刨磨少量质量的杆件抗拉极限承载力可达 。竹子学报第 卷该组实验证明对竹条进行一定程度的刨磨处