针对竹材杆件承载力研究方面,黄慧茵等[8]测量了不同厚度、截面杆件的抗拉抗压性能,得出双层,边长为9 mm/10 mm杆件效果最好;贾新聪[9]研究了若干5 mm $\times$ 5 mm和7 mm $\times$ 7 mm方形空心压杆的承载力,给出了竹材受压强度可取30 MPa,但并未对相应构件的破坏形态进行分类,也未对构件选择提出建议;王磊等[10]测试了边长为5 mm和6 mm三角形和方形空心杆的承载力,发现荷质比在120 $\sim$ 160 N/g之间,根据荷质比最高原则选择了合适的截面尺寸,但并未对边长更大的构件(边长12 mm)及长柱进行研究[11]。第十四届全国大学生结构设计竞赛的赛题,要求设计一座变参数的桥梁,长杆件的使用在模型制作中起了重要作用。比赛中,箱型受压短杆以其承载力大、稳定性好等优势得到广泛应用,但由于杆件短、节点多,多个连接点可能会使结构连续性较差,节点成为薄弱环节;而长杆虽然连续性好,但由于整根杆件长度过长,易发生失稳屈曲,降低了单根杆件承载力。
通过对不同竹皮、竹条组合,以及不同杆长的加肋箱型空心杆进行轴压承载力试验研究,探究长杆的极限承载力和荷质比,为结构设计竞赛选择合适的截面和杆长提供参考。
1 试验概况
1.1 试件设计和参数
试验采用0.35 mm,0.5 mm厚竹皮和2 mm $\times$ 2 mm,3 mm $\times$ 3 mm竹条制作了147个边长为10 mm的箱型截面受压杆构件,试件长度为250 mm, 300 mm, 350 mm, 400 mm, 450 mm, 500 mm, 550 mm等7种类型,相同类型的构件3根。由于材料限制,未进行单层0.5 mm竹皮,4根3 mm $\times$ 3 mm杆件的试验。
主要测试杆件见表1,表中$L$为杆长、$t$为壁厚。D表示单层竹皮和竹条组合杆件;P表示双层竹皮和竹条组合杆件;2 mm $\times$ 2 mm和3 mm $\times$ 3 mm表示采用尺寸为2 mm $\times$ 2 mm和3 mm $\times$ 3 mm的竹条做角点。例如,D353-25,D为单层竹皮和竹条,35表示竹皮厚度为0.35 mm,3表示竹条边长为3 mm $\times$ 3 mm,25表示杆长为250 mm。
1.2 材料特性和试件制作
图1
1.3 试验装置和加载制度
试验加载装置采用济南川佰试验仪器有限公司的电子拉、压试验机,试验最小分辨率为1 N,以每分钟10 mm的速度加载,当出现试件破坏或断裂时,加载过程自动终止并回弹。图1(d)给出了加载过程示意图。试验过程为：将制作的受压杆置于两加压平台之间,调节控制面板位置,使压杆刚好处于接触状态,调整控制面板的加载速率进行加载,直至构件出现破坏,加载结束,拍照记录破坏形态。构件制作和加载均由大二本科生完成。
2 构件理论承载计算
2.1 轴压破坏
只考虑受压状态时,杆件轴向内力$F_{\max}$为
式中,[$\sigma $]为许用应力,取30 MPa[9];$A$为面积。
2.2 失稳破坏
由于本次试验采用长杆,杆件可能发生受压失稳破坏。根据木结构设计标准[12],屈曲承载力为
式中,$f_{\rm c}$为轴心抗压强度理论值,取30 MPa;$\varphi$为杆件稳定系数。研究发现[13]长细比$\lambda \leqslant 91.45$时
3 试验结果及分析
3.1 试件破坏形态
杆件理想的破坏形式为截面扩张导致杆件中部脆断或向外弯折,但大多情况会由于竹皮质量差异或制作时侧面竹皮的胶水涂抹不均匀,导致杆件某个面向外弯折,且弯折点在中部。
截面形式不同,破坏有一定规律,无论是单层还是双层,发生次数最多的均是失稳破坏,而双层和单层的区别即双层结构在中部和侧棱粘结处2种破坏出现的次数会显著减少,因此建议对单层杆件采取一定的加固措施,以避免非理想破坏形式。
3.1.1 局部破坏
局部破坏形态见图2,这与理想破坏状态不符,大多发生在杆件端部,包括局部开胶、竹皮劈裂等。该种破坏是由制作不细致,或未弥补竹皮缺陷造成的,从而不能很好地发挥杆件承载力,导致结构荷质比低,因此需要避免。
图2
3.1.2 中部失稳破坏
中部破坏一般是杆件中部位置的竹皮在不均匀竖向载荷作用下,发生弯折或开胶现象,如图3。为避免失稳,需加强杆件制作时在中部附近折角处竹皮间的粘结性,或用0.2 mm厚竹皮弥补缺陷。并在选取杆长时,在允许范围内,选用短杆来提高受压稳定性,减少受弯破坏。
图3
3.1.3 侧棱粘结处开裂
图4
3.2 极限承载力
图5
因此,当杆长低于250 mm时,可只考虑竖向受压载荷使杆件破坏。当杆长超过250 mm时,则需考虑失稳破坏,且随杆长增长,试验值与失稳破坏理论值之比会逐渐变小,550 mm时为0.92,小于理论破坏值。对于需要较大承载力的重要结构或构件,为避免杆件发生失稳屈曲,推荐使用300 mm以下的双层杆件。
另外,单层竹皮,杆长250 mm杆件承载力达1308 N,同杆长100 mm的杆件相比,承载力相差不大,满足比赛需求,因此在结构允许情况下,使用连续性较好的杆长250 mm杆件,截面形式可采用0.35 mm厚竹皮,4根3 mm $\times$ 3 mm竹条的组合结构。
3.3 荷质比
图6
与相同截面形式100 mm的杆件相比,100 mm的杆件荷质比要远大于250 mm杆件,单位长度荷质比也较大。如单层0.35 mm厚竹皮,4根2 mm $\times$ 2 mm竹条截面,杆长100 mm的荷质比达400 N/g,而250 mm只有140 N/g,500 mm只有34 N/g。杆件过长,荷质比过小,不建议使用,杆件过短,则连接点难以处理,若整体受弯,则短杆节点处极易破坏,因此建议使用长度在250 $\sim$ 350 mm的杆件。且使用双层0.35 mm竹皮$+$2 mm $\times$ 2 mm竹条的截面形式较为合适。
3.4 制作方法
综上可知,杆件承载力和荷质比,很大程度上受到手工处理精细程度影响,在实际使用中,需注意对竹皮缺陷处的弥补,以及对棱角处的加固,在画线、裁剪和粘贴时,尽量保证杆件截面呈正方形,可在一定程度上增强杆件稳定性。若需使用长杆,超过350 mm,需对外层进行长度200 mm的分段包裹,防止杆件发生非理想破坏。
4 结论
通过对不同杆长、截面形式和手工制作方法的杆件进行极限承载力试验研究,得出以下结论：
(1)杆件主要分为局部破坏、中部失稳和侧棱粘结开裂三种破坏形式,其中局部破坏和侧棱粘结开裂为非理想破坏形式,可通过滴胶、补强等方式避免发生;
(2)在结构模型杆件选择时,对主梁等受力较大构件,可在节点处理好的情况下使用承载力较大的双层杆件;在优化结构质量,选用荷质比较大的杆件时,双层结构优于单层结构;
(3)采用双层杆件外层裹竹皮法制作的杆件在中短杆上优于贴片法,既可提升极限承载力,又不会过分降低荷质比;制作较长杆件时,采用分段包裹的方式,既不破坏杆件整体性,也能保证杆件不发生扭曲破坏。
参考文献
基于课堂教学活动的结构设计竞赛培训制度
Training system based on classroom teaching in national structure design contest
土木工程实践教学创新与大学生结构设计竞赛耦合模式探析
Exploration of the coupling model between the innovation of civil engineering practice teaching and College Students' Structural Design Competition
第七届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析
Design and analysis of model structure in the 7th National Structrue Design Competition for Undergraduates
竹皮结构设计与制作分析
Discussion on bamboo structural design and manufacture
结构设计竞赛科技创新试验项目的设计与实践
Design and practice of science and technology innovation experiment project in structure design competition
大学生结构设计竞赛方案设计原则及案例分析
Design principiles and case analysis of College Students' Structrual Design Compition
结构竞赛模型材料物理力学性能及模型设计制作研究
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Research on physical and mechanical properties and design and manufacture of structural competition model materials
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大跨屋盖结构设计研究——以第十届全国大学生结构设计竞赛为例
Research on the design of large-span roof structure——taking the 10th National College Students' Structural Design Competition as an example
第七届全国大学生结构设计竞赛作品创新特色浅析
The review on characteristic of the entries in the 7th National College Students Structural Design Competition
结构设计竞赛竹材的轴心抗压性能研究
Study of axial compressive performance of bamboo in structural design competition
大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
Experimental study on mechanical properties of basic rods for structure design contest for college students
