常海林+張旭欽+錢格軍+李海鋒

摘要：為研究大學生結(jié)構(gòu)大賽采用的白卡紙、竹皮、桐木的力學性能，應用LDS-5電子拉力試驗機對222個試件進行軸向拉伸試驗，探討白卡紙、竹皮、桐木3種材料在不同厚度、寬度、長度條件下的受力性能。研究表明，對于竹皮、桐木、白卡紙3種材料，試件均會發(fā)生正截面斷裂，少量竹皮、桐木試件發(fā)生斜截面斷裂。在對試件進行加載過程中，由于施加的拉力存在偏心，削弱了試件的極限承載能力。對于白卡紙試件，長度改變對試件極限承載力無明顯影響。竹皮材料隨著厚度的增加，極限承載力呈非線性增長。綜合強度和結(jié)構(gòu)重量等因素，厚度為0.35 mm的竹皮材料最為適合制作拉索構(gòu)件。最后獲得不同材料的彈性模量、極限抗拉強度，并得到受拉構(gòu)件極限承載能力Pu與構(gòu)件寬度D的關系擬合公式，為學生進行結(jié)構(gòu)設計提供較為科學的設計依據(jù)，為結(jié)構(gòu)仿真分析提供較為精確的材料性能數(shù)據(jù)。

關鍵詞：材料抗拉性能；大學生結(jié)構(gòu)設計競賽；彈性模量

中圖分類號：G642423文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2017）05010807

全國大學生結(jié)構(gòu)設計競賽由國家教育部、住房和城鄉(xiāng)建設部、中國土木工程學會主辦，部分高校承辦，是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽[1-3]。作為大學生的科技活動賽事之一，可以提高學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。結(jié)構(gòu)設計大賽的命題一般要求學生用桐木、竹皮、白卡紙等指定材料進行模型設計及制作，并運用力學知識對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。最后通過承載能力試驗，以荷重比為主要決勝因素，再綜合考慮其他各項因素評出獲獎等級[4-6]。

受拉構(gòu)件在高校結(jié)構(gòu)設計大賽結(jié)構(gòu)模型中的作用十分重要。競賽采用結(jié)構(gòu)形式通常包括高層建筑模型、簡支橋梁模型、拱橋模型、斜拉橋模型、懸索橋模型、張弦梁結(jié)構(gòu)大跨屋架模型、塔架結(jié)構(gòu)等[1]。由于受拉結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、受力簡單的特點，在各類型結(jié)構(gòu)模型中被廣泛采用，其作用主要體現(xiàn)在：（1）高層建筑模型中水平抗剪構(gòu)件，類比于建筑結(jié)構(gòu)柱間斜向支承；（2）房屋建筑模型中承擔豎向均布荷載構(gòu)件，類比于房屋結(jié)構(gòu)中的樓板，競賽模型通?？紤]樓板薄膜

效應；（3）拱橋模型中抵抗水平推力構(gòu)件；（4）在斜拉橋模型中作為主要受拉構(gòu)件；（5）在懸索橋模型中可作為主纜或吊桿等構(gòu)件；（6）在張弦梁結(jié)構(gòu)中作為張拉構(gòu)件；（7）在塔架結(jié)構(gòu)中作為拉錨構(gòu)件，類比于實際塔架結(jié)構(gòu)中的風纜等。

大學生結(jié)構(gòu)設計競賽結(jié)構(gòu)制作過程中，對各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用缺乏理論依據(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選擇，造成大量人力物力的浪費，同時，不能通過結(jié)構(gòu)計算得出整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限值。為解決以上問題，針對各類結(jié)構(gòu)形式中的受拉構(gòu)件，制做了222個試件，研究竹皮、桐木、白卡紙3種材料在不同厚度、寬度、長度條件下的力學性能，并得到受拉構(gòu)件極限承載能力Pu與構(gòu)件寬度D的關系擬合公式，為學生進行結(jié)構(gòu)設計提供較為科學的設計依據(jù)，為結(jié)構(gòu)仿真分析提供較為精確的材料性能數(shù)據(jù)[5]。

一、 試驗概況

（一）試件設計和試件參數(shù)

共計222個拉索試件，分為78組，考慮竹皮、桐木材料的不均勻性，每組3個相同試件，白卡紙材質(zhì)較為均勻，每組2個相同試件，主要參數(shù)為拉索寬度、長度和厚度，見表1。表中試件編號分別表示不同材料、試件寬度D、試件長度L、試件厚度t。例如，ZP3102，ZP表示采用竹皮制作，3表示寬度D為3 mm，1表示長度L為100 mm，02表示厚度t為0.2 mm；TM321，TM表示采用桐木制作，3表示寬度D為3 mm，2表示長度L為200 mm，1表示厚度t為1 mm。白卡紙只有一種厚度尺寸，故厚度不進行表示。例如，BKZ51表示采用白卡紙制作，寬度D為5 mm，長度L為100 mm。

（二）材料特性和試件制作

試驗采用材料購于材料廠商的同一批竹皮、桐木及白卡紙。拉索作為結(jié)構(gòu)中非常重要的構(gòu)件，試件材質(zhì)需要得到保證，竹皮材料作為多層復合材料，不均勻性較為嚴重，試件制作時盡量挑選材質(zhì)較均勻，竹節(jié)相對少的竹皮。桐木材料較厚，試件制作時采用玻璃刀切割，竹皮和白卡紙材料較薄，可采用剪刀裁剪。3種材料均沿紋路切割或裁剪，試件構(gòu)造及實物如圖1所示。

（三）試驗裝置和加載制度

試驗裝置采用濟南方圓試驗儀器有限公司型號為LDS-5電子拉力試驗機，最大試驗力為5 kN，試驗最小分辨率為0.1 N，拉伸試驗行程1 000 mm位移，分辨率0.01 mm。本試驗以每分鐘10 mm的速度進行位移加載，試驗機自行采集荷載峰值和位移值，并繪制荷載-位移曲線[7]。當出現(xiàn)試件破壞或試件斷裂的情況，試驗終止[8-9]。

二、試驗結(jié)果與分析

（一）試件破壞形態(tài)

試驗結(jié)果顯示，試件的破壞形態(tài)主要有以下2種，如圖2所示。

1.正截面斷裂（ZD）

如圖2（a）、（b）所示，試件破壞前無明顯現(xiàn)象，達到極限荷載時，隨著一聲悶響，試件會沿著薄弱處或節(jié)點處斷裂[10-12]。白卡紙斷裂形態(tài)均為正向斷裂，且斷裂界面十分平齊，竹皮和桐木斷裂截面呈鋸齒形，并且竹皮更為明顯。222個試件中共有198個試件發(fā)生正截面斷裂。

2.斜截面斷裂（XD）

如圖2（c）、（d）所示，加載至極限荷載時，試件突然發(fā)生聲響并斷裂，表現(xiàn)材料脆性特征，斷裂截面呈斜向，并伴有鋸齒形[13]。222個試件中共有24個試件發(fā)生斜截面斷裂，其中20個為竹皮試件，4個為桐木試件，白卡紙試件全部呈正截面斷裂形態(tài)。

（二）極限荷載的試驗結(jié)果與分析

1. 極限承載力與試件寬度的關系

圖3為3種厚度的竹皮材料極限拉力同試件寬度關系曲線，從中可以看出，在長度、厚度相同條件下，竹皮試件的極限承載力隨寬度的增加而增大，呈線性相關。endprint

0.35 mm厚度試件

增長趨勢較穩(wěn)定，承載力具有較強的上升空間，而0.2 mm和0.5 mm厚度試件寬度增加到5 mm以上之后，增長趨勢明顯放緩，承載力上升空間不佳。研究表明，厚度為0.35 mm竹皮材料的節(jié)點缺陷相對較少，而0.5 mm竹皮材料因為材料節(jié)點缺陷相對較多，致使寬度增加到一定值，承載能力達到極限狀態(tài)。綜合強度和結(jié)構(gòu)重量等因素，厚度為0.35 mm的材料最為適合制作拉索構(gòu)件[14]。

2.極限承載力與試件長度的關系

從圖6可以看出，竹皮材料在厚度和寬度相同的條件下，試件長度越長，極限荷載值越小。研究表明，每片桐木材料都有清晰可見的節(jié)點，隨著試件長度的增加，材料的面積隨之增加，材料節(jié)點缺陷出現(xiàn)的概率同時增加，因此，當試件長度越長時，極限荷載值越小。

從圖7可以看出，桐木材料隨著試件長度的增加，極限荷載略有增長，完全不同于竹皮材料。研究表明，在試件進行加載過程中，施加的拉力存在偏心，偏心矩的存在削弱了試件的承載能力，同時，實測桐木材料的彈性模量相對較大，導致拉力偏心對桐木材料極限承載能力的影響更明顯。研究表明，試件長度越短偏心矩對極限承載力的影響越明顯，試件加長，會減弱偏心矩對極限荷載力的影響。建議在結(jié)構(gòu)設計中，加強對拉索構(gòu)件偏心問題的注意。由圖8可知，白卡紙材料試件長度改變時，極限荷載值幾乎不變，說明白卡紙材料的長度對其試件極限承載力無明顯影響。

3.竹皮材料厚度與極限承載力的關系

從圖9可以看出竹皮試件在長度、寬度相同條件下，極限承載力隨著厚度增加而增大，同時，其增長的幅度呈上升趨勢。

（三）極限應力的試驗結(jié)果與分析

從圖10可以看出，厚度為0.2 mm和0.35 mm的竹皮材料的極限應力大致相同，實測極限應力數(shù)據(jù)點大致在20 ～50 Mpa之間，而厚度為0.5 mm的竹皮材料，實測極限應力數(shù)據(jù)點大致在50～70 Mpa之間。研究還表明，寬度、長度的改變，對竹皮材料的極限應力影響不明顯。

從圖11可以看出，對于桐木材料，實測極限應力數(shù)據(jù)點大致在20 Mpa左右，試件長度增大時，極限應力略微增大，與前面對桐木材料極限荷載分析的結(jié)論相符。同時，寬度的改變對桐木材料的極限應力無明顯影響。

從圖12可以看出，對于白卡紙材料，實測極限應力數(shù)據(jù)點大致在17 Mpa左右，同時試件寬度增加時，極限應力略微呈上升趨勢。

（四）材料彈性模量試驗結(jié)果與分析

圖13為實測竹皮材料彈性模量數(shù)據(jù)曲線，從圖13和表3可以看出，實測竹皮材料的彈性模量數(shù)據(jù)點大致在3 000～6 000 Mpa之間。從曲線形態(tài)上可以看出，試件寬度、長度、厚度對彈性模量均無影響。圖中ZPX3035試件的彈性模量較大，因為在進行材料選取時，制作該類試件的部分材料加工質(zhì)量較好。研究表明，影響竹皮材料彈性模量的主要因素是多層材料復合加工時的粘貼強度。

從圖14可以看出，實測桐木材料的彈性模量數(shù)據(jù)點大致在2 500～4 000 Mpa之間，試件寬度、長度、厚度對彈性模量無明顯影響。

從圖15可以看出，實測白卡紙材料的彈性模量數(shù)據(jù)點大致在400～600 Mpa之間，并且試件寬度、長度、厚度對彈性模量無影響。

三、結(jié)語

文章應用LDS-5電子拉力試驗機對222個試件進行了軸向拉伸試驗。研究了試件寬度、厚度與長度對受力性能的影響， 得到以下主要結(jié)論：

（1）得到受拉構(gòu)件極限承載能力Pu與構(gòu)件寬度D的關系擬合公式。

（2）所有試件的破壞形式可分為兩類，正截面斷裂和斜截面斷裂，3種試件均會發(fā)生正截面斷裂，其中，少量竹皮、桐木試件發(fā)生斜截面斷裂。

（3）對于3種材料，在厚度和寬度相同的條件下，由于長度增加，材料節(jié)點缺陷出現(xiàn)的概率越大，極限荷載值越小，且竹皮材料此特征明顯。

（4）竹皮材料隨著厚度的增加，增長幅度呈上升趨勢，厚度為0.2 mm的試件增長趨勢呈線性，且增長幅度不明顯，其中0.35 mm增長趨勢大致呈線性，增長幅度較穩(wěn)定，0.5 mm厚度試件寬度增加到5 mm以上之后，由于材料節(jié)點缺陷對極限承載力的影響，增長趨勢呈非線性，增長幅度明顯放緩。

（5）偏心矩會削弱試件的承載能力，試件長度越小，偏心矩對極限承載力的影響越明顯，試件加長，會減弱偏心矩對極限荷載力的影響，建議在結(jié)構(gòu)設計中，加強對拉索構(gòu)件偏心問題的注意。

（6）對于白卡紙試件，隨著試件寬度的增加，極限抗拉承載力線性增長，并且長度對試件極限承載力無明顯影響。

（7）綜合強度和結(jié)構(gòu)重量等因素進行分析，厚度為0.35 mm的竹皮材料最為適合制作拉索構(gòu)件。參考文獻：

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Abstract： In order to study the mechanical properties of white cardboard， bamboo skin and paulownia used by structure design contest for college students， the LDS5 electronic tensile testing machine was used to carry out the axial tension test on 222 specimens， to investigate the stress performance of white cardboard， bamboo skin and paulownia in the condition of different thickness， width and length. The results showed that the breakage of all specimens of the three materials occurred at the normal section， and the breakage of a few specimens of the bamboo skin and paulownia occurred at the oblique section. In the course of the specimens loading， because the tension was exerted eccentrically， the ultimate bearing capacity of specimens was weakened. White cardboard specimens length change had no significant effect on ultimate bearing capacity of the specimens. Bamboo skin materials ultimate strength showed a nonlinear growth with thickness increases. Considering the strength， structural weight and other factors， the 0.35 mmthickness bamboo skin materials were most suitable for the production of cable structures. Elastic modulus and ultimate tensile strength of different materials， as well as the fitting formula of relationship between ultimate bearing capacity of tension member （Pu） and widget width （D） were obtained， to provide a more scientific design basis for students structure design and to provide a more accurate performance data for structure simulation analysis.

Keywords：

tensile properties of materials； structure design contest for college students； elastic modulus

（編輯周沫）endprint