馬媛媛，朱松松

(東南大學 土木工程學院，南京 210096)

隨著低碳環(huán)保的建筑概念的提出，現(xiàn)代竹結(jié)構已受到越來越多的設計師和建筑師的關注。同時因為竹子既好種植又生長快，對碳的吸收凈化效果顯著，所以說它是一種性能優(yōu)良的建筑材料，非常適合建造輕質(zhì)、環(huán)保和節(jié)能的建筑。此外，作為建筑材料，竹材的相對抗拉強度比鋼材更高，其順紋抗拉強度較高，平均約為木材的2倍，單位重量的抗拉強度約為鋼材的3～4倍。因此在建筑結(jié)構中越來越多地被利用，如2010年上海世博會印度館就采用了我國浙江安吉生產(chǎn)的毛竹建造了大型穹頂結(jié)構。對做大型承載負荷的竹材進行性能測定十分有意義。

1 實驗材料與設備

1.1 試件

本實驗試樣為兩組截面尺寸不同的長方體試件，為不改變竹材的力學性能，均通過安吉毛竹直接切割制成。其尺寸分別為:150 mm×10 mm×5 mm，150 mm×10 mm×3 mm。考慮試件有無竹節(jié)可能對其力學性能產(chǎn)生一定的影響，故前一組試件包含竹節(jié)，而后一組試件不包含竹節(jié)。上面一根為含竹節(jié)試件，下面一根為不含竹節(jié)試件，如圖1所示。

圖1 實驗用試件原件

為測定試件的順紋彈性模量，在試件前后兩面相同位置貼上順紋方向應變片;為測定試件泊松比，在試件前后兩面垂直順紋方向貼上應變片如圖2所示。由于竹材屬于表面非常光滑的材料，所以需要沿垂直順紋方向壓出一些紋路，以增強粘結(jié)力。

1.2 實驗設備

實驗設備采用Instron3367電子拉力試驗機以及靜態(tài)電阻應變儀如圖3所示。

圖2 貼上應變片后的試件

圖3 實驗所用儀器

2 實驗

2.1 實驗原理

測定材料彈性模量E時一般采用比例極限內(nèi)的拉伸實驗［1］，其荷載與變形關系為:

其中，ΔF為荷載增量;L0為試件尺寸;A0為試件橫截面面積。

若已知荷載增量ΔF及試件尺寸L0，只要測得試件伸長ΔL，可得出彈性模量E，即

由于本實驗采用電測法測量，其梵音變形測試的數(shù)據(jù)為應變增量，即

所以式(2)成為:

材料在受拉伸時，不僅沿縱向發(fā)生縱向變形，在橫向也會同時發(fā)生短縮的橫向變形。由材料力學知，在彈性變形范圍內(nèi)，橫向變形Δεy和縱向變形Δεx成正比關系，這一比值稱為材料的泊松比，一般以μ表示，即

2.2 實驗過程

根據(jù)試樣長度調(diào)整試驗機的上下夾頭的位置，達到適當?shù)奈恢煤?，試件先安裝在試驗機的下夾頭內(nèi)。試件軸線與上下夾頭的軸線重合，防止出現(xiàn)偏斜和加持部分過短現(xiàn)象［2］。試驗機調(diào)零后，再把試件上下夾頭夾緊如圖4所示。

應變片分別用導線聯(lián)到靜態(tài)電阻應變儀上，按半橋接線法組成測量電路。然后對試件進行縱向拉伸，在試件線彈性范圍內(nèi)等量加載，每級增加荷載為50 N左右。通過電子試驗機軟件Bluehill2讀出每次加載后的荷載以及相應的應變。。

圖4 試件安裝

3 實驗結(jié)果與討論［3－5］

3.1 彈性模量

為防止因試件彎曲等因素造成應變測量不夠準確，每根試件都測量了正反雙面應變?nèi)绫?所示。

表1 單根10 mm×3 mm截面試件荷載與縱向應變關系

通過Matlab軟件，將荷載與軸向應變均值的關系擬合成一條直線［3］如圖5所示，得出直線的斜率，即求出ΔF/Δε的值。

圖5 單根10 mm×3 mm截面荷載與縱向應變擬合曲線

根據(jù)JP/T 199－2007中關于竹材順紋抗拉彈性模量測定的規(guī)定，每種試件各測六根。將其余11組數(shù)據(jù)進行相同操作，根據(jù) E=(ΔF/Δε)·(1/A0)，將結(jié)果乘上1/A0得到各組彈性模量如表2所示。

表2 各組彈性模量

由表2數(shù)據(jù)可以看出，含有竹節(jié)的試件的彈性模量均值要大于不含竹節(jié)的彈性模量，同時試件彈性模量的離散性較大，尤其是含竹節(jié)的最大值是最小值的1.8倍。原因可能是竹節(jié)在試件上的位置不同導致測得的應變相差較大。考慮到后者離散型太大，從偏保守的角度考慮，彈性模量取E=8.76 GPa。

3.2 泊松比

為測出試件的泊松比，除了測量試件在拉力作用下的縱向應變外，也需測量試件的橫向應變。

通過Matlab軟件，將荷載與軸向應變均值的關系擬合成一條直線，如圖6所示，得出直線的斜率，即求出泊松比μ的值。

表3 單根10 mm×3 mm截面試件縱向應變與橫向應變關系

圖6 橫向應變與縱向應變的關系圖

將各組數(shù)據(jù)進行相同操作，得到各組泊松比，如表4所示。

表4 各組泊松比

不含竹節(jié)試件的泊松比均值為－0.292，而含有竹節(jié)試件的泊松比均值為－0.325，比不含竹節(jié)的要大?？紤]到實際結(jié)構中是含有竹節(jié)的，采用μ= －0.325。

3.3 抗拉強度

考慮到項目模型分析中結(jié)構的拉應力與壓應力相差一個數(shù)量級，又考慮到偏安全，這里測不含有竹節(jié)(10 mm×3 mm截面)的試件的抗拉強度，如表5所示。

表5 試件抗拉強度

抗拉強度的均值為174.00 MPa，以此作為結(jié)構模型材料破壞的上限。

4 結(jié)束語

通過實驗，可得出以下結(jié)論:安吉毛竹彈性模量E=8.76 GPa;安吉毛竹泊松比μ=－0.325;安吉毛竹抗拉強度取F=174.00 MPa。

［1］黃躍平，杭曉林，胥明.工程力學實驗［M］.南京:東南大學出版社，2006:6－7.

［2］中華人民共和國建設部.中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標準JP/T199－2007［S］.北京:中華人民共和國建設部，2007:15－22.

［3］張賢明.第二計算機語言MATLAB［M］.南京:東南大學出版社，2009:36－43.

［4］孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學(I)［M］.北京:高等教育出版社，2009:21－32.

［5］高黎，王正，李陽.高地竹與毛竹主要物理力學性能的比較研究［J］.世界竹藤通訊，2010，8(4):20－22.