试验下大学生结构设计竞赛竹条设计

试验下大学生结构设计竞赛竹条设计

摘要:针对大学生结构设计竞赛中没有理论指导竹条轴压杆件设计的现状,为提出竹条轴压杆件设计理论和设计指导,研究了3种规格(截面分别为6mm×1mm,3mm×3mm,2mm×2mm)竹条所制作的4种不同截面形式的共10种长细比的杆件的受压性能。得到了各截面形式下杆件的失稳破坏形态与荷载位移关系,对比了各截面形式杆件在不同长细比下的力学性能优劣,给出了竹条轴压杆件设计建议。

关键词:截面形式;轴心受压杆件;长细比;结构设计竞赛

1概述

全国大学生结构设计竞赛由教育部、财政部首次联合批准发文(教高函[2007]30号)的全国性9大学科竞赛资助项目之一,目的是为构建高校工程教育实践平台,进一步培养大学生创新意识、团队协同和工程实践能力,切实提高创新人才培养质量。全国大学生结构设计竞赛近十年才得以大规模举办,对结构模型所用材料的性能研究尚不充分,且大多数研究集中在竹皮材料性能探究[1-2],可供参考的竹条性能试验数据及结论较为匮乏。2010年,王汉坤[3]研究了不同含水率对竹材顺纹抗压、顺纹拉伸、顺纹抗剪和弯曲强度的影响。结果表明,除了顺纹抗压强度随着含水率的增加呈线性减小,剩下的3个力学指标均呈减小-(增加)-平稳-减小的变化趋势。2016年雷鸣宇等[4]对单层竹皮材料和多层黏接竹皮材料的顺纹抗拉强度、抗压强度、断裂伸长率等因素展开探究,表明胶水对于提高材料强度有所贡献,竹皮材料断裂伸长率普遍为0.5%~1.5%,属于脆性材料。2019年,侯应贵等[5]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:3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。Lee,Moreira,Mitch等[6-7]对竹材力学性能的测试方法做了详细总结,包括竹材的径向抗拉强度和弹性模量测试方法、顺纹抗剪模型和方法。目前竹条受压杆件相关的试验研究较少,为改善以模型破坏试验寻求最优解的现状,并为参赛者进行模型杆件设计时,提供科学合理的理论指导,本文对大学生结构竞赛中杆件常用的4种组合截面形式,按照竞赛中常用的十种长细比,开展了竹条粘合压杆受力性能试验研究。得出了不同长度下各截面形式杆件的受力性能差异,给出了竹条轴心受压杆件的设计建议。

2试验概况

2.1竹条材料性能试验

试验所用竹条由杭州邦博(BAMBOO)科技有限公司提供,与结构设计大赛所提供材料为同一供应商。试验前对三种规格(截面分别为6mm×1mm,3mm×3mm,2mm×2mm)竹条实际厚度进行了测量,其均差均小于0.05mm,故计算时采用所给标准尺寸。单轴抗拉试件制备参照行业标准《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[8]。每种构件各20个,试验结果取平均值。通过静力拉伸试验获得的材料基本力学性能列于表1中,表中抗压屈服强度fy取竞赛给定值[9]。

2.2试件设计

根据结构模型竞赛中用竹条制作结构模型时模型杆件截面边长的常用尺寸和3种规格竹条可能组合的截面形式,设计了箱形、三角形、工字形和六边形截面杆件。其中箱形、三角形和六边形截面杆件均由1mm×6mm竹条围合而成,工字形截面杆件由2根1mm×6mm竹条与1根3mm×3mm竹条组合而成,竹条之间均用502胶水进行连接,如图1所示。试件长度根据结构模型竞赛中用竹条制作结构模型时杆件的常用长度,并由截面的回转半径和10种长细比确定,如表2~表5所示。

2.3试验装置及加载制度

试验采用FBS-5000N微机控制电子万能试验机进行竖向加载。试件两端为刚度远大于试件的加载圆盘,由于试件端截面较小,圆盘对试件转动约束较小,因此可近似看测量设备包括试验机配套的力传感器、位移测量系统、变形测量系统、位移计等。位移计为量程25.4mm的数显百分表,布置于试件跨中以测量试件失稳平面内的水平位移,试验装置自带位移测量系统可直接测量试件的竖向变形,即柱顶端加载点位移。试验以1mm/min的速度进行位移加载,试验机自行采集荷载峰值和位移值,并绘制荷载-位移曲线。当试验力值下降超过峰值的50%时停止加载。

3试验结果

3.1破坏形式试验结果

显示,四类试件在受荷时均存在局部稳定和整体稳定问题。长细比小于临界长细比的试件,以局部失稳破坏为主。此时试件受压整个过程可分为三个阶段:第一阶段为弹性阶段,在加载初期荷载位移曲线呈线性变化,试件部分截面具有较小的初始波幅;第二阶段为弹塑性阶段,随着荷载逐渐增大,组成构件的板件波幅随之增大,此时已有部分板件退出工作,但试件仍具有一定的屈曲后强度;第三阶段为破坏阶段,位移继续增加,承载力迅速下降,最终试件由于波幅过大引起材料破坏。长细比大于临界长细比的试件,以整体失稳破坏为主。在加载过程中,试件总挠度v并不是随着轴心压力N按比例增加的,试件在加载初期,挠度增加较慢,随后增加较快。由于竹条杆件良好的力学性能,在较大的挠度下仍然没有保持破坏。当挠度增加到一定程度时,杆件中点截面在轴心压力N与弯矩Nv作用下边缘开始屈服,随后截面塑性区不断增加,杆件即进入弹塑性阶段,致使压力还未达到欧拉临界力之前就丧失承载能力。

3.2试件极限承载力结果与分析

将10组不同长细比的竹条轴压构件试验所测得的极限承载力Fu取平均值作为试验结果,并汇总于表6.从图3中可以看出,在长细比λ在10~100范围内时,工字形截面与箱形截面杆件的极限承载力较为接近。当长细λ<40时,三角形截面杆件的极限承载力较工字形截面、箱形截面更大;当长细比λ>40时,工字形截面、箱形截面与三角形截面杆件的极限承载力较为接近。而在相同长细比的情况下,正六边形截面杆件的极限承载力明显大于其他三类截面的杆件。

4结论

1)箱形、三角形、工字形和六边形截面四类试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。其中,箱形试件和工字型试件的临界长细比较为接近,空心三角形试件的临界长细比最小,正六边形试件的临界长细比最大。

2)不同的长细比情况下,各类杆件的极限承载力有所不同。

3)相同长细比的空心三角形杆件、工字形杆件极限承载力较为接近。但由于空心三角形与工字形截面的回转半径较小,随着杆件长度的增加,其极限承载力下降较快,故该类截面的杆件不宜过长,适用于制作模型腹杆等较短构件,既能发挥其承载能力,又可减轻模型重量。

4)箱形构件与正六边形构件的极限承载力较大,且两者的回转半径较大,随着杆件长度的增加,其极限承载力下降较慢,因而适用于制作模型的上下弦杆、立柱等对长度有要求的构件。虽然正六边形构件的极限承载力较高,但也具有质量较大、易于从胶缝处崩开、制作难度大、对手工要求较高等缺点,故无特殊要求,不推荐采用此种截面形式构件。

作者:郑凯旋 刘旭 李孟竺 单位:山地城镇建设与新技术教育部重点试验室( 重庆大学)  重庆大学土木工程学院