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大学生结构设计竞赛受压空心杆力学性能试验研究

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王永宝张留鹏王健张晓雷苗晨曦

摘要:

为探讨大学生结构设计竞赛常用竹条或竹皮制作的不同类型空心杆的基本力学性能,为参赛者模型制作选择合适的截面尺寸,用0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮和2mm×2mm和3mm×3mm竹条制作了123个长度为100mm的不同边长的正方形空心杆试件,应用电子压力试验机测试了其极限承载力,并分析了其破坏形式、荷质比及试验与理论计算值的对比情况。试验结果表明:单层竹皮构件以棱角开裂为主,双层竹皮构件以受弯破坏为主,竹皮+竹条组合构件可避免上述两种破坏形式;单层竹皮构件以0.5mm,边长为10mm的构件具有较高极限承载力,因手工制作原因导致极限承载力降低可达50%;0.5mm双层竹皮构件的荷质比较大,可達400N/g;单层竹皮+竹条组合构件的极限承载力在1000N左右,荷质比在300~450N/g之间,与双层竹皮相差不大,因手工制作导致的承载力降低较小,适合受力较大的杆件。

关键词:结构设计;力学;空心杆;竹皮;试验

:G642.423??文献标志码:A??:1005-2909(2021)04-0148-10

大学生结构设计竞赛是由教育部确定的全国九大学科竞赛资助项目之一,对提高学生的创新思维和实践能力具有重要促进作用[1,2]。近年来,结构设计竞赛赛题日趋完善,逐渐形成了以竹条、竹皮和502胶水为主要材料的结构模型制作模式[3]。通过对多年比赛总结发现,以竹皮制作的空心杆逐渐成为结构常用的基本组成杆件[4],但不同竹条和竹皮材料组合形式多样[5],如何选择合适的截面尺寸,保证结构承受最大荷载的同时,具有质量最轻的空心杆是当前大学生参加结构竞赛时面临的难题。

刘承斌[6]等对采用白卡纸和蜡线制作构件的抗压和抗拉强度进行了试验,测试结果为结构截面形式的选择奠定了基础;常海林等用竹皮制作了不同尺寸的受拉杆件,测试了其抗拉性能[7];贾新聪[8]开展了若干5mm×5mm和7mm×7mm方形空心压杆的极限承载力研究,仅给出了竹材受压承载力可取30MPa,但并未对相应构件的破坏形态进行分类,也未对结构竞赛材料构件选择提出建议;王磊等[9]测试了边长为5mm和6mm三角形和方形空心杆的极限承载力,发现荷质比在120~160N/g之间,根据荷质比最高原则选择了合适的截面尺寸,但并未对边长更大的构件(边长12mm)进行测试研究[10]。

从构件角度优化结构模型,需进行专门的空心受压杆力学性能试验研究,从而为参赛者的截面选择提供依据。本文通过对不同竹皮、竹条类型组合的空心杆截面进行轴压试验和对不同构件破坏形态的分析,测试了构件的质量、极限承载力,并计算其荷质比,得出了不少有益的结论,为学生参与结构设计竞赛时选择构件提供参考,对提高大学生的结构设计竞技水平具有重要意义。

一、试验概况

(一)试件设计和试件参数

试验采用0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮和2mm×2mm、3mm×3mm竹条制作了123个边长为5~15mm的箱型截面受压杆构件。为保证结构为受压破坏,试件长度为100mm。

主要测试杆件见表1,表中试件编号分别表示不同试件边长W、空心杆厚度t。D表示单层竹皮,DT表示单层竹皮和竹条组合杆件;S表示双层竹皮,ST表示双层竹皮和竹条组合杆件;2×2mm和3mm×3mm表示采用尺寸为2mm×2mm和3mm×3mm的竹条做角点。例如,DT353-3509,DT为单层竹皮和竹条,35为竹皮厚度为0.35mm,3表示竹条边长为3mm×3mm,35表示空心杆的厚度为0.35mm,09表示空心杆的边长为9mm。

本试验采用的四类杆件类型如下:(1)单层0.35mm和0.5mm竹皮制作的空心杆;(2)单层0.35mm,0.5mm竹皮,在四个角点放置2mm×2mm和3mm×3mm竹条制作的空心杆;(3)双层0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮制作的空心杆;(4)双层0.2mm竹皮,在四个角点放置2mm×2mm和3mm×3mm竹条后制作的空心杆。

(二)材料特性和试件制作

试验采用的竹皮和竹条均购于同一材料厂商,试件制作过程中尽量选用材质均匀、竹节少的材料。箱型空心杆的制作采用先在竹片顺纹方向上用刀背刻痕,然后再沿刻痕方向折叠成空心杆件,在竹皮折叠处滴胶,拟补折叠划痕和材料原有的缺陷[3,10]。如图1给出了制作的空心杆。

(三)试验装置和加载制度

试验装置采用济南川佰试验仪器有限公司生产制作的电子拉、压试验机,试验最小分辨率为1N,试验受压行程为80cm,试验以每分钟10mm的速度加载,试验机自行采集荷载峰值和位

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