許書藝，陳康澤，曹 洋，倪云祥

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院土木與機場工程系，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

竹皮作為一種節(jié)能環(huán)保材料，集高韌性、高彈性、高強度于一身，是一種較為理想的天然纖維材料，具有十分廣闊的應(yīng)用價值[2]。在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽結(jié)構(gòu)設(shè)計制作過程中，各種竹皮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選用缺乏理論依據(jù)，構(gòu)件尺寸只能通過大量的模型制作及加載試驗進行不確定性選擇[3]。學(xué)生在進行模型制作時，需要進行大量的摸索和破壞實驗以尋求最優(yōu)方案。這種低效尋求最優(yōu)解的現(xiàn)狀亟待改進，國內(nèi)相關(guān)研究者也對此做了一定的研究[4]。

黃慧茵等[5]測量了不同厚度和截面桿件的抗拉抗壓性能，得出雙層且邊長為9 mm/10mm的桿件效果最好；付善春等[6]對15個箱形截面受壓桿件進行了試驗，發(fā)現(xiàn)試件的抗壓承載力與試件的截面面積之間沒有明顯的正比關(guān)系；賈新聰[7]研究了若干5 mm×5 mm和7 mm×7 mm方形空心壓桿的承載力，得出了竹材受壓強度可取30 MPa的結(jié)論，但并未對相應(yīng)構(gòu)件的破壞形態(tài)進行分類，也未對構(gòu)件選擇提出建議；雷鳴宇等[2]對18個圓筒試件進行了軸壓試驗，試驗結(jié)果表明，0.5 mm厚的竹皮材料相比0.35 mm厚的竹皮材料，其抗壓強度更高，且竹筒高度越低，抗壓強度越高，并建議制作抗壓柱時，在適當位置添加加勁肋，以提高試件整體與局部的穩(wěn)定性。

但是關(guān)于單層箱型竹皮桿件的長細比、寬厚比和內(nèi)部隔片對其受壓性能的影響方面的研究較少，所以制作了400余根不同尺寸不同長度不同厚度的桿件，通過大量的對比實驗，用以研究長細比、寬厚比以及桿件中隔片間距對桿件強度的影響。選擇這3種條件作為變量的參照對象的原因如下：①長細比是桿件計算長度與桿件截面的回轉(zhuǎn)半徑之比，該量直接影響了桿件的穩(wěn)定系數(shù)，參考長細比對于實際工程中防范材料因失穩(wěn)現(xiàn)象而導(dǎo)致無法滿足預(yù)計承載力這一現(xiàn)象有著重要幫助；②寬厚比起到控制桿件的局部穩(wěn)定性的作用；③隔片起到桿件內(nèi)部加勁肋的作用，適當?shù)母羝褂每梢栽黾訔U件的穩(wěn)定性能，但設(shè)置最合適最經(jīng)濟的隔片數(shù)量仍值得進行實驗研究。

2 實驗概況

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

本次實驗是為研究竹皮桿件的實際穩(wěn)定承載力及屈曲應(yīng)力，選用0.5 mm厚的竹皮制作試件，采用控制變量的實驗方法，將實驗分為了以下3大類。

第一類實驗為研究桿件長細比對桿件強度的影響。根據(jù)受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)公式，試件的長細比越大，桿件越容易受壓失穩(wěn)，研究該實驗是為了找出竹皮桿件受壓時能容許的最大長細比。對于這類實驗團隊準備試件100余根，試件長度從2～16 cm不等，選取不同的截面尺寸，用每種類型的桿件同樣制作3根相同的試件，保證實驗數(shù)據(jù)的準確性。

第二類實驗為研究桿件寬厚比對桿件強度的影響。通常情況下，桿件的寬厚比越大，桿件越容易發(fā)生截面局部屈曲，研究該實驗的目的是為了找出竹皮桿件受壓時能容許的最大寬厚比。針對這類實驗團隊同樣準備試件100余根，試件長度從2～16 cm不等，選取不同的截面尺寸，用每種類型的桿件同樣制作3根相同的試件，以減少實驗數(shù)據(jù)的誤差。

第三類實驗為研究桿件中添加隔片的隔片間距對桿件屈曲強度的影響。一般在保證桿件的做工不出現(xiàn)缺陷的情況下，加肋柱和空心柱相比，抗壓性能明顯提升，但抗壓強度的提升和肋間距有較大的關(guān)系。肋間距越小局部屈曲強度提升幅度越大且質(zhì)量也將提升，肋間距越大局部屈曲強度提升幅度越小且質(zhì)量增加較小[8]。研究該實驗的目的是為了找出一個最經(jīng)濟的肋間距，所謂最經(jīng)濟也就是在減少隔片到合理間距及減輕桿件的質(zhì)量同時對桿件整體的強度影響也不大。對于這類實驗團隊共準備試件180余根，試件長度分為12 cm、18 cm、24 cm這3種長度，且分別設(shè)置了不同隔片的間距，用每種類型的桿件制作3根相同的試件，確保實驗數(shù)據(jù)的真實性。

2.2 實驗說明

實驗所用材料采購于材料廠商的同一批竹皮，并充分考慮了溫度濕度對材料性能的影響，箱型桿件可以作為模型制作的主要構(gòu)件，在試件制作過程中，盡量挑選質(zhì)地均勻、沒有竹節(jié)的部分制作試件[9-10]。

本類實驗的所有強度數(shù)據(jù)來源于壓力試驗機（艾德堡HLD數(shù)顯推拉力計）。在測試過程中要避免試件偏心受壓，從而影響實驗的準確性。

實驗加載過程及讀數(shù)過程如圖1、圖2所示。

圖1 加載過程

圖2 讀數(shù)過程

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 試件破壞形態(tài)

大量的實驗結(jié)果顯示，箱型桿件受壓破壞形態(tài)主要分為試件跨中破壞與試件端部破壞2大類，如圖3、圖4所示。

圖3 試件跨中破壞

圖4 試件端部破壞

3.1.1 試件跨中破壞（整體失穩(wěn)）

從圖3中可以看出，試件受壓破壞前有輕微的彎曲形變，達到極限荷載時，試件突然發(fā)生聲響并在跨中被折斷，隨后試件失效。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)生跨中破壞的試件多為細長桿件，其破壞形式表現(xiàn)為試件的整體失穩(wěn)。

3.1.2 試件端部破壞（局部失穩(wěn)）

從圖4中可以看出，試件破壞前沒有明顯彎曲形變，達到極限荷載時，伴隨著竹皮撕裂的聲音，試件發(fā)生端部破壞，隨后試件失效。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，發(fā)生端部破壞的試件多為短粗試件，且這些試件的屈曲應(yīng)力較大。研究表明，這些短粗試件加載過程中未發(fā)生整體失穩(wěn)，其破壞形式表現(xiàn)為試件的局部失穩(wěn)。

3.2 試件中隔片作用的試驗結(jié)果與分析

圖5、圖6、圖7為3種長度試件分別設(shè)置不同隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在不同的長度下，試件的屈曲應(yīng)力都隨隔片間距的增大而減少。當隔片間距過大時，其不能起到加強試件局部強度的作用，會降低試件的屈曲應(yīng)力；當隔片間距過小時，雖然能保證試件的屈曲應(yīng)力增大，但會降低隔片的利用率，導(dǎo)致試件的質(zhì)量增大，不符合隔片經(jīng)濟性原則。

圖5是12 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系圖，從圖中可以看出，桿件強度隨著隔片間距的增大，其整體呈減小趨勢。在截面4 cm×5 cm的桿件曲線處，隔片間距為2 cm的試件強度比隔片間距1.5 cm的試件強度高，此處認為是人為制造誤差所造成的（如試件制作過程中竹節(jié)的差異）。

圖5 12 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系

圖6、圖7分別是18 cm、24 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系圖，從圖中可以看出試件的屈曲應(yīng)力隨著間距的增大而下降，考慮隔片經(jīng)濟性原則，認為隔片間距為4～6 cm最優(yōu)。

圖6 18 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系

圖7 24 cm試件隔片間距與屈曲應(yīng)力的關(guān)系

3.3 長細比與寬厚比的試驗結(jié)果與分析

圖8為不同寬厚比下桿件屈曲應(yīng)力與長細比的關(guān)系曲線。試驗中均采用0.5 mm厚的竹皮材料，因此改變箱形截面尺寸，即可控制寬厚比變化；保持箱形截面尺寸不變，改變桿件長度，即可控制桿件長細比的變化。

3.3.1 桿件屈曲應(yīng)力與長細比的關(guān)系

從圖8中可以看出，當寬厚比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著長細比的增加呈整體下降趨勢。不同寬厚比下，當長細比小于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力近似呈線性穩(wěn)定下降；當長細比大于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力迅速下降。研究表明，因為竹皮材料的缺陷相對較多，當桿件長度增加時，缺陷也相應(yīng)增加，加之長細比增大，桿件越容易發(fā)生整體失穩(wěn)，所以桿件的屈曲應(yīng)力減小。當桿件長細比小于臨界長細比時，屈曲應(yīng)力隨單位長度缺陷的增加而穩(wěn)定下降；當桿件長細比大于臨界長細比時，屈曲應(yīng)力驟降。

3.3.2 桿件屈曲應(yīng)力與寬厚比的關(guān)系

從圖8中可以看出，當長細比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著寬厚比的增加而減小。研究表明，因為竹皮材料的缺陷相對較多，當桿件寬度增加時，缺陷相應(yīng)增加，加之寬厚比增大，桿件越容易發(fā)生局部失穩(wěn)，導(dǎo)致桿件的屈曲應(yīng)力減小。

圖8 不同寬厚比下桿件屈曲應(yīng)力與長細比的關(guān)系曲線

3.3.3 長細比與寬厚比對桿件屈曲應(yīng)力的綜合影響

研究發(fā)現(xiàn)，實際桿件破壞時受整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)共同作用。桿件長度一定時，為了防止桿件整體失穩(wěn)，試驗中采用增加箱形截面尺寸的方式減小長細比，即增大截面寬度，但是這樣又會使桿件的寬厚比增大，增加了桿件發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性。隨著長細比的減小，寬厚比的增大，當發(fā)生屈曲應(yīng)力不上升反而下降的現(xiàn)象時，稱此時的狀態(tài)為臨界狀態(tài)。實驗中，應(yīng)控制桿件寬厚比不變，通過增加桿件長度增加長細比，當桿件長細比達到與寬厚比相應(yīng)的臨界長細比時，桿件屈曲應(yīng)力驟降，此時即為臨界狀態(tài)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同寬厚比與其相應(yīng)的臨界長細比大致呈反比關(guān)系，乘積約為600，如圖9所示。

圖9 臨界狀態(tài)下長細比與寬厚比的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

試件中間的隔片具有一定提高試件抗壓強度的能力，且隨著隔片數(shù)量的增加，試件屈曲應(yīng)力增大。如果隔片的間距設(shè)置過小，則會降低隔片的利用率。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，隔片間隔的距離應(yīng)設(shè)置為4～6 cm。

箱形截面構(gòu)件在受荷時同時存在局部失穩(wěn)與整體彎曲失穩(wěn)問題。長細比小于臨界長細比的構(gòu)件在受壓時以局部失穩(wěn)為主，長細比大于臨界長細比的構(gòu)件以整體失穩(wěn)為主。

當寬厚比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著長細比的增加呈整體下降趨勢。不同寬厚比下，當長細比小于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力近似呈線性穩(wěn)定下降；當長細比大于相應(yīng)的某一值時，桿件屈曲應(yīng)力迅速下降；當長細比一定時，桿件屈曲應(yīng)力隨著寬厚比的增加而減小。研究表明，因為竹皮材料的節(jié)點缺陷相對較多，當桿件寬度增加時，缺陷相應(yīng)增加，加之寬厚比增大，桿件越容易發(fā)生局部失穩(wěn)，導(dǎo)致桿件的屈曲應(yīng)力減小。臨界狀態(tài)下，桿件的長細比與寬厚比大致呈反比關(guān)系，系數(shù)約為600。

由于實驗設(shè)備限制，只研究了受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性能，未考察壓彎構(gòu)件的承載力，桿件缺陷的大小及分布也沒有準確測量。