柔杆弯曲成形竹弓结构的承载分析.pdfVIP

二十一、柔杆弯曲成形竹弓结构的承载分析 方立新李海青 【摘要】本文讨论了一种以长竹条为结构构件，弯成拱形后承载的特殊的建构方式所带来的相对复杂 的结构问题，用几何非线性方法分析探讨了该类竹弓结构的平面内失稳特征。 【关键词】柔杆竹结构稳定性分析分枝屈曲 1竹材物理特征 近年来，随着天然林保护工程的实施，木材采伐量的减少，人们在积极地寻找木材以及木材资源的 替代品。竹材的利用在中国已有数千年的历史，我国竹林资源非常丰富，共有竹种40多属，500多种， 万t。但竹材的开发利用一直处于低水平，随着人们环境意识的日益加强以及对森林保护的重视，世界 有关国家对竹材特性进行了大量的研究，目前对竹材的解剖性质、力学性质、物理性质已有了充分 掌握。 竹材的抗弯强度、弹性模量、抗拉强度和抗压强度与山毛榉木材相当，竹杆的力学性能特别是抗拉 强度和压缩强度高，竹材的抗拉强度约为针叶树木材的4倍，为阔叶树木材的2倍；在建筑结构材料中 尤其是空间桁架，竹杆可以代替木材和金属使用。 几种常见竹产品的物理性能： ·5～8年的毛竹，具有良好的物理力学性，可与高密度的阔叶木相媲美。静曲强度、弹性模量、 达74．20MPa； ·小径杂竹制造重组竹，采用合适的生产工艺，用小径杂竹完全可以生产具有较高物理力学性能的 重组竹；其物理性能见表1。 不同竹材t组竹的物理性能 衰1 静曲强度(MPa) 弹性模量(×10aMPa) 性能指标 密 度 含水率 吸水厚度 干 状 湿 状 干 状 湿 状 (g／cm3) (％) 膨胀率(％) 竹种 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 毛竹 0．89 5．3 8．8 160．8 35．6 145．6 39．5 13．77 1．42 13．1 1．29 早竹 O．92 6．9 3．3 129．8 67．1 131．4 64．7 9．86 3．25 9．81 3．82 高节竹 0．91 5．2 5．6 149．8 79．5 126．5 71．4 11．963．82 9．47 3．56 ·竹木复合强化层积材 构造用集成材”JAS标准中抗弯强度的最高规定值66．15MPa。 378 第三篇建筑技术 2竹条柔杆弯弓的承载分析 本文的研究中需要选择的是有足够柔软性的竹条，截面高度不会超过上述各实体竹竹壁厚度，因此加 工非常简单，既无需重组，也无需与木材合成竹木复合材料，仅需将竹精刨加工成细长竹条即可。 完成拱形后的承载性能。 众所周知，由于拱结构在垂直均布荷载下构件主要承受轴力，故拱结构的效率高于梁，拱的形态 可以在没有任何弯曲内力的条件下被建成，但也可以通过将直杆弯曲后做成拱，后者显然成形后构件 内将产生弯曲内力，其承载特性本质上将居于纯粹的拱和梁之间，由于纯粹的拱在结构设计时并不可 能只存在一种设计工况(垂直均布)，因此本文中的预弯拱在实际工程中并不是不可接受，只不过需要 控制弯曲为拱过程中的曲率程度以降低其类似于梁横向受弯的弯矩比例，即让其更多的倾向于拱而较 少倾向于梁。通过弯曲形成拱在施工上的优越性是显而易见的，它的建造也很简单，这种特殊的建构 特征如能充分挖掘将很有实用价值，尤其对于比较柔软的杆件，由于易于弯曲成形，建造将特别方 便，但杆件柔软的同时带来承载时强度不足包括易于失稳的缺点，因此杆件截面的选择、跨度和矢高 都值得深入研究。 本文选择了一个矩形扁截面的竹条，在建造阶段，将竹条预弯成有一定曲率的弧形构件，在弯成弧 形的过程中，构件的两端是自由移动的边界条件，而在承载阶段，完成拱形后的杆件两端被固定，不再 能移动，但两拱足平面内可转动；从