竹皮及竹皮杆件的力学性能研究＊

许书艺，陈康泽，曹 洋，倪云祥

（南京航空航天大学民航学院土木与机场工程系，江苏 南京 210000）

1 研究背景

竹皮作为一种节能环保材料，集高韧性、高弹性、高强度于一身，是一种较为理想的天然纤维材料，具有十分广阔的应用价值[2]。在大学生结构设计竞赛结构设计制作过程中，各种竹皮结构构件的选用缺乏理论依据，构件尺寸只能通过大量的模型制作及加载试验进行不确定性选择[3]。学生在进行模型制作时，需要进行大量的摸索和破坏实验以寻求最优方案。这种低效寻求最优解的现状亟待改进，国内相关研究者也对此做了一定的研究[4]。

黄慧茵等[5]测量了不同厚度和截面杆件的抗拉抗压性能，得出双层且边长为9 mm/10mm的杆件效果最好；付善春等[6]对15个箱形截面受压杆件进行了试验，发现试件的抗压承载力与试件的截面面积之间没有明显的正比关系；贾新聪[7]研究了若干5 mm×5 mm和7 mm×7 mm方形空心压杆的承载力，得出了竹材受压强度可取30 MPa的结论，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；雷鸣宇等[2]对18个圆筒试件进行了轴压试验，试验结果表明，0.5 mm厚的竹皮材料相比0.35 mm厚的竹皮材料，其抗压强度更高，且竹筒高度越低，抗压强度越高，并建议制作抗压柱时，在适当位置添加加劲肋，以提高试件整体与局部的稳定性。

但是关于单层箱型竹皮杆件的长细比、宽厚比和内部隔片对其受压性能的影响方面的研究较少，所以制作了400余根不同尺寸不同长度不同厚度的杆件，通过大量的对比实验，用以研究长细比、宽厚比以及杆件中隔片间距对杆件强度的影响。选择这3种条件作为变量的参照对象的原因如下：①长细比是杆件计算长度与杆件截面的回转半径之比，该量直接影响了杆件的稳定系数，参考长细比对于实际工程中防范材料因失稳现象而导致无法满足预计承载力这一现象有着重要帮助；②宽厚比起到控制杆件的局部稳定性的作用；③隔片起到杆件内部加劲肋的作用，适当的隔片使用可以增加杆件的稳定性能，但设置最合适最经济的隔片数量仍值得进行实验研究。

2 实验概况

2.1 实验目的

本次实验是为研究竹皮杆件的实际稳定承载力及屈曲应力，选用0.5 mm厚的竹皮制作试件，采用控制变量的实验方法，将实验分为了以下3大类。

第一类实验为研究杆件长细比对杆件强度的影响。根据受压杆件的稳定系数公式，试件的长细比越大，杆件越容易受压失稳，研究该实验是为了找出竹皮杆件受压时能容许的最大长细比。对于这类实验团队准备试件100余根，试件长度从2～16 cm不等，选取不同的截面尺寸，用每种类型的杆件同样制作3根相同的试件，保证实验数据的准确性。

第二类实验为研究杆件宽厚比对杆件强度的影响。通常情况下，杆件的宽厚比越大，杆件越容易发生截面局部屈曲，研究该实验的目的是为了找出竹皮杆件受压时能容许的最大宽厚比。针对这类实验团队同样准备试件100余根，试件长度从2～16 cm不等，选取不同的截面尺寸，用每种类型的杆件同样制作3根相同的试件，以减少实验数据的误差。

第三类实验为研究杆件中添加隔片的隔片间距对杆件屈曲强度的影响。一般在保证杆件的做工不出现缺陷的情况下，加肋柱和空心柱相比，抗压性能明显提升，但抗压强度的提升和肋间距有较大的关系。肋间距越小局部屈曲强度提升幅度越大且质量也将提升，肋间距越大局部屈曲强度提升幅度越小且质量增加较小[8]。研究该实验的目的是为了找出一个最经济的肋间距，所谓最经济也就是在减少隔片到合理间距及减轻杆件的质量同时对杆件整体的强度影响也不大。对于这类实验团队共准备试件180余根，试件长度分为12 cm、18 cm、24 cm这3种长度，且分别设置了不同隔片的间距，用每种类型的杆件制作3根相同的试件，确保实验数据的真实性。

2.2 实验说明

实验所用材料采购于材料厂商的同一批竹皮，并充分考虑了温度湿度对材料性能的影响，箱型杆件可以作为模型制作的主要构件，在试件制作过程中，尽量挑选质地均匀、没有竹节的部分制作试件[9-10]。

本类实验的所有强度数据来源于压力试验机（艾德堡HLD数显推拉力计）。在测试过程中要避免试件偏心受压，从而影响实验的准确性。

实验加载过程及读数过程如图1、图2所示。

图1 加载过程

图2 读数过程

3 实验结果与分析

3.1 试件破坏形态

大量的实验结果显示，箱型杆件受压破坏形态主要分为试件跨中破坏与试件端部破坏2大类，如图3、图4所示。

图3 试件跨中破坏

图4 试件端部破坏

3.1.1 试件跨中破坏（整体失稳）

从图3中可以看出，试件受压破坏前有轻微的弯曲形变，达到极限荷载时，试件突然发生声响并在跨中被折断，随后试件失效。经对比发现，发生跨中破坏的试件多为细长杆件，其破坏形式表现为试件的整体失稳。

3.1.2 试件端部破坏（局部失稳）

从图4中可以看出，试件破坏前没有明显弯曲形变，达到极限荷载时，伴随着竹皮撕裂的声音，试件发生端部破坏，随后试件失效。经对比发现，发生端部破坏的试件多为短粗试件，且这些试件的屈曲应力较大。研究表明，这些短粗试件加载过程中未发生整体失稳，其破坏形式表现为试件的局部失稳。

3.2 试件中隔片作用的试验结果与分析

图5、图6、图7为3种长度试件分别设置不同隔片间距与屈曲应力的关系曲线，从图中可以看出，在不同的长度下，试件的屈曲应力都随隔片间距的增大而减少。当隔片间距过大时，其不能起到加强试件局部强度的作用，会降低试件的屈曲应力；当隔片间距过小时，虽然能保证试件的屈曲应力增大，但会降低隔片的利用率，导致试件的质量增大，不符合隔片经济性原则。

图5是12 cm试件隔片间距与屈曲应力的关系图，从图中可以看出，杆件强度随着隔片间距的增大，其整体呈减小趋势。在截面4 cm×5 cm的杆件曲线处，隔片间距为2 cm的试件强度比隔片间距1.5 cm的试件强度高，此处认为是人为制造误差所造成的（如试件制作过程中竹节的差异）。

图5 12 cm试件隔片间距与屈曲应力的关系

图6、图7分别是18 cm、24 cm试件隔片间距与屈曲应力的关系图，从图中可以看出试件的屈曲应力随着间距的增大而下降，考虑隔片经济性原则，认为隔片间距为4～6 cm最优。

图6 18 cm试件隔片间距与屈曲应力的关系

图7 24 cm试件隔片间距与屈曲应力的关系

3.3 长细比与宽厚比的试验结果与分析

图8为不同宽厚比下杆件屈曲应力与长细比的关系曲线。试验中均采用0.5 mm厚的竹皮材料，因此改变箱形截面尺寸，即可控制宽厚比变化；保持箱形截面尺寸不变，改变杆件长度，即可控制杆件长细比的变化。

3.3.1 杆件屈曲应力与长细比的关系

从图8中可以看出，当宽厚比一定时，杆件屈曲应力随着长细比的增加呈整体下降趋势。不同宽厚比下，当长细比小于相应的某一值时，杆件屈曲应力近似呈线性稳定下降；当长细比大于相应的某一值时，杆件屈曲应力迅速下降。研究表明，因为竹皮材料的缺陷相对较多，当杆件长度增加时，缺陷也相应增加，加之长细比增大，杆件越容易发生整体失稳，所以杆件的屈曲应力减小。当杆件长细比小于临界长细比时，屈曲应力随单位长度缺陷的增加而稳定下降；当杆件长细比大于临界长细比时，屈曲应力骤降。

3.3.2 杆件屈曲应力与宽厚比的关系

从图8中可以看出，当长细比一定时，杆件屈曲应力随着宽厚比的增加而减小。研究表明，因为竹皮材料的缺陷相对较多，当杆件宽度增加时，缺陷相应增加，加之宽厚比增大，杆件越容易发生局部失稳，导致杆件的屈曲应力减小。

图8 不同宽厚比下杆件屈曲应力与长细比的关系曲线

3.3.3 长细比与宽厚比对杆件屈曲应力的综合影响

研究发现，实际杆件破坏时受整体失稳与局部失稳共同作用。杆件长度一定时，为了防止杆件整体失稳，试验中采用增加箱形截面尺寸的方式减小长细比，即增大截面宽度，但是这样又会使杆件的宽厚比增大，增加了杆件发生局部失稳的可能性。随着长细比的减小，宽厚比的增大，当发生屈曲应力不上升反而下降的现象时，称此时的状态为临界状态。实验中，应控制杆件宽厚比不变，通过增加杆件长度增加长细比，当杆件长细比达到与宽厚比相应的临界长细比时，杆件屈曲应力骤降，此时即为临界状态。通过实验发现，不同宽厚比与其相应的临界长细比大致呈反比关系，乘积约为600，如图9所示。

图9 临界状态下长细比与宽厚比的关系曲线

4 结语

试件中间的隔片具有一定提高试件抗压强度的能力，且随着隔片数量的增加，试件屈曲应力增大。如果隔片的间距设置过小，则会降低隔片的利用率。通过实验研究发现，隔片间隔的距离应设置为4～6 cm。

箱形截面构件在受荷时同时存在局部失稳与整体弯曲失稳问题。长细比小于临界长细比的构件在受压时以局部失稳为主，长细比大于临界长细比的构件以整体失稳为主。

当宽厚比一定时，杆件屈曲应力随着长细比的增加呈整体下降趋势。不同宽厚比下，当长细比小于相应的某一值时，杆件屈曲应力近似呈线性稳定下降；当长细比大于相应的某一值时，杆件屈曲应力迅速下降；当长细比一定时，杆件屈曲应力随着宽厚比的增加而减小。研究表明，因为竹皮材料的节点缺陷相对较多，当杆件宽度增加时，缺陷相应增加，加之宽厚比增大，杆件越容易发生局部失稳，导致杆件的屈曲应力减小。临界状态下，杆件的长细比与宽厚比大致呈反比关系，系数约为600。

由于实验设备限制，只研究了受压构件的稳定性能，未考察压弯构件的承载力，杆件缺陷的大小及分布也没有准确测量。