竹材构件材料力学性能及承载力研究

付善春，尹祖兴，杨倩文，郭凌志，李 冰

(信阳学院 土木工程学院，河南 信阳 464000)

竹材构件材料力学性能及承载力研究

付善春，尹祖兴，杨倩文，郭凌志，李 冰

(信阳学院 土木工程学院，河南 信阳 464000)

以河南省第六届大学生结构设计竞赛题目为例，分析了塔式起重机的力学结构.为详细了解塔吊模型中相关构件的力学性能，在实验室进行模型杆件的轴向受压及拉带受拉试验，得到模型竹材杆件受压承载力试验数据及竹材受拉承载力试验数据，并采用有限元软件SAP 2000对模型构件进行承载力验算，为理论计算和模型设计及优化提供了参考依据.

结构设计竞赛；材料力学性能；承载力验算

在模型结构设计过程中，结构不仅取决于其受力是否合理、空间构件布置是否恰当，也取决于材料的性能是否能得到充分发挥.考虑到竹材杆件的抗压承载力受其自身截面尺寸、长度、涂胶及手工制作水平等的影响，为详细了解所做模型中相关杆件的力学性能，需要在实验室进行模型杆件的轴向受压试验，得到模型杆件受压承载力试验数据及竹皮受拉承载力试验数据.此外，参考有关文献[1-2]对竹皮的弹性模量、抗剪强度等进行调研，为理论计算和模型设计制作提供参考.

1 模型材料

河南省第六届大学生结构设计竞赛题目为塔式起重机结构模型设计，要求参赛队在规定的时间内，使用限定的材料，按照赛题的要求完成塔吊结构模型的设计、制作，并进行吊装测试.模型采用大赛组委会提供的竹皮(如图1所示)、胶水和工具现场制作，其中竹材规格及数量见表1.

表1 竹材规格Tab.1 Bamboo specifications

备注:竹材力学性能参考值为弹性模量1.0×104MPa，抗拉强度60 MPa.

信阳学院的参赛塔吊模型如图2所示，模型采用三角形变截面塔身，平截面塔臂，塔帽与塔臂间用竹材拉带拉结，塔身、塔臂及塔帽均由箱型截面竹材杆件拼接而成，竹材杆件如图3所示.

图1 竹材Fig.1 Bamboo

图2 参赛模型Fig.2 The competing model

图3 竹材杆件Fig.3 Bamboo bars

2 竹材构件材料力学性能试验及分析

2.1 杆件的抗压性能试验

塔吊模型中的支承柱构件是主要的受力构件，故专门对不同长度及截面尺寸的柱试件进行抗压试验及分析.试件共分为4组，每组为若干根具有相同长度和截面尺寸的试件，如图4所示.在试件两端粘贴薄竹片以增加与加载装置的接触面积，从而获得较好的加载效果.此外，对第Ⅰ组试件、第Ⅱ组的1号和2号试件按照2 mm/min的速率加载，其他试件按照1 mm/min的速率加载.试验加载设备为100 t级万能试验机，见图5.

试件现场加载采用力控制加载方式，试件破坏形态如图6所示，各组试件的荷载-位移曲线见图7.受压试件的试验结果见表2.

图4 拟加载的试件 图5 加载设备 Fig.4 Specimen Fig.5 Loading device

图6 杆件破坏形态Fig.6 Destroy form

图7 受压试件的受力-变形图Fig.7 Force-deformation diagram of pressure specimen

表2 受压试件的试验结果Tab.2 Test results of compression specimens

2.2 竹拉带试件的试验分析

在塔身各层圈梁框架柱之间均打上交叉拉带，通过交叉拉带的拉结作用，模型能够较好地承担双向水平冲击荷载，抗扭能力和稳定性大大提高.

试验共取7组拉带试件，每组含3件截面尺寸相同的拉带，通过专用夹具使用万能试验机进行加载，各组试件的荷载-变形曲线见图8，试件破坏形态见图9.对第Ⅰ组3根拉带试件的加载结果表明，相同尺寸拉带试件的抗拉承载力基本相近.为提高试验效率，针对其他每组拉带试件均取其中一根有代表性的试件进行试验,试验结果详见表3.

图8 拉带试件的受力-变形曲线Fig.8 Force-deformation diagram of tensile test piece

图9 拉带试件破坏形态Fig.9 Tensile test piece failure mode

取3块100 mm×100 mm×0.2 mm(长×宽×厚)的竹材，测得质量分别为1.837 g，1.792 g，1.813 g，取平均值1.814 g，进而算出密度为0.907 g/cm3.由于在制作过程中有502胶水的渗入，近似确定竹材的密度为1.00 g/cm3.结合文献[2]得到竹皮抗剪强度为30 N/mm2，502胶水抗剪强度为 7.508 N/mm2.

表3 拉带试件的试验结果Tab.3 Test results of tensile test pieces

图10 基于SAP 2000得到的模型构件最大应力比Fig.10 The maximum stress ratio of the model component based on SAP 2000

3 基于SAP 2000的结构承载力验算

利用上述试验分析数据，通过采用SAP 2000建模计算分析，使用钢结构模块进行构件承载力验算，得到模型构建最大应力比，如图10所示.参考GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]关于冲击荷载设计值的有关规定，暂不对冲击荷载引起的构件内力进行放大.SAP 2000软件中，根据结构整体计算结果，框架梁、柱构件视为压弯或拉弯构件进行验算.

强度验算公式：

平面内稳定计算公式：

平面外稳定计算公式：

这里取上述公式左边与右边的应力比为验算对象，如果应力比不超过1.0，则表示结构构件承载力达到要求.此外，SAP 2000软件对构件的长细比也依据GB 50017—2003《钢结构设计规范》[4]进行了限制.

(1)在各种工况下，各构件应力比普遍为0～1，基本满足要求.受竞赛中加载设备的限制，加载过程中引起的不同方向荷载作用具有一定的不确定性，为了降低这种不确定性带来的风险，适当提高结构的安全度水平，将构件设计得略偏保守是合理且必要的.

(2)模型中所有拉带均不满足SAP 2000中有关(钢构件)长细比的限制要求，因而图10中显示拉带的应力比超过1.0.考虑到竹材模型与钢结构模型存在一定差异且超限构件为拉带，计算表明拉带抗拉承载力可达到要求，故此处忽略对拉带长细比的限制规定.

(3)结构的承载力受到计算模式不定性、材料尺寸及材料性能不定性的影响[5]，对这些不定性因素也应该加以关注.此外，如果模型杆件制作过程中碰撞或挤压等给杆件造成了初始缺陷，有可能使得整个模型在加载过程中出现意想不到的破坏，因而应重视选材和提高手工制作的质量，确保截面尺寸符合要求，减少结构构件受力性能方面的不定性.

(4)考虑到实际结构中节点连接的承载力往往会起到控制作用，在实际模型设计和制作时应对主要杆件之间的连接节点加以重视.

4 结论

通过试验获得大量针对竹材结构构件及拉带等的相关性能参数，为后续建模分析和计算提供了重要的参考依据，并且通过承载力验算为模型结构设计及制作提供了必要的依据.

(1)受压试件的破坏主要分为两种形态：一种是试件中部附近由于压弯效应而引起构件失稳破坏，另一种是构件端部局部破坏.试件的抗压强度与其截面面积成正比，相同长度不同截面面积的试件，10 mm×10 mm试件的抗压承载力与8 mm×8 mm试件的抗压承载力相比整体提高了20%～30%.针对拉带试件，试件的抗拉承载力与试件的截面面积之间不具备显著的正比关系.

(2)在相同截面面积的条件下，试件的长度越长，相应的受压承载能力越弱，这主要是由于试件的长度增加导致试件的长细比随之增加，从而使试件更容易受压失稳.因此，在可能的范围内应尽量减少构件的长度.同时，通过试验还发现在杆件内部增设加劲片，可以适当提高构件的抗局部失稳性能.

(3)加载速度对试件的承载力影响较大，加载速度越慢，相应的承载力越小.针对第二组试件，与采用1 mm/min的加载速率量测到的试件强度相比，采用2 mm/min的加载速度量测到的试件强度要高30%左右.由于模型要承受竖向静力荷载和水平动力作用，而动力作用在结构上的持续时间是短暂的，在设计中可以适当提高构件抵抗这部分动力作用的能力.

[1] 沈璐,高潮,王志云，等.第七届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析[J].高等建筑教育,2014,23(4):159-163.

[2] 孙俊杰,王智芹,王宝刚，等.竹材的力学性能及磨料磨损性能研究[J].农机化研究,2011(7):162-164.

[3] 中国建筑标准化协会.建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[4] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计规范:GB 50017—2003[S].北京:中国计划出版社,2003.

[5] 郭楠.荷载与结构设计方法[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

Studyonthematerialmechanicsperformanceandbearingcapacityofbamboocomponents

FUShanchun,YINZUXing,YANGQianwen,GUOLingzhi,LIBing

(DepartmentofCivilEngineering,XinyangCollege,Xinyang464000,China)

Based on the 6th Henan college students' structure design competition, the tower crane model as an example is analyzed. To understand the mechanical properties of related components in the model, the axial compression and tensile test of the rod parts in the laboratory are carried out, and the load bearing and tensile bearing capacity test data of the model bamboo are obtained. Using the finite element software SAP 2000, the bearing capacity of the model member is checked. It provides the reference for theoretical calculation and model design and optimization.

structure design competition; mechanical properties of materials; check of the bearing capacity

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A

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2017-08-05

信阳学院大学生创新创业训练计划资助(CX20170044)

付善春(1989-)，男，河南信阳人，助教，硕士，主要研究方向为工程材料.

杜迎雪，常 娟，刘卫锋(4-76)