結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐1)

何春保 張兆勁 馮錦垚

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州510642)

大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是全面提高人才培養(yǎng)能力的重要內(nèi)容，加快實(shí)踐環(huán)節(jié)改革，提升學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是繼續(xù)深化本科教學(xué)改革，全面提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[1]。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是影響最廣，參賽學(xué)生最多的土木工程專業(yè)競(jìng)賽活動(dòng)。其宗旨是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)交流合作精神和工程實(shí)踐能力[2-3]。全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽從2005 年以來(lái)已經(jīng)連續(xù)舉辦了13 屆，所采用的材料逐漸從紙[4-5]、蠟線和白膠、木等轉(zhuǎn)為竹皮和502 膠(表1)[6]。竹皮是受力性能非常好的生物質(zhì)材料，有著良好的抗拉性能和抗壓性能。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，人才的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力越來(lái)越受到社會(huì)和企業(yè)的重視，為了加快實(shí)踐教學(xué)改革和增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力[7-9]，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)從2005 年開(kāi)始每年開(kāi)展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，從2012 年開(kāi)始在人才培養(yǎng)方案中專門(mén)設(shè)立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分，并獨(dú)立開(kāi)設(shè)土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課。目的在于通過(guò)專業(yè)競(jìng)賽和實(shí)驗(yàn)課使得學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，在競(jìng)賽中培養(yǎng)結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化分析能力，在實(shí)驗(yàn)中掌握不同材料和結(jié)構(gòu)型式的力學(xué)特點(diǎn)，并培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、綜合分析和表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的能力。近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)示范中心教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)競(jìng)賽，組建了結(jié)構(gòu)工作室學(xué)生社團(tuán)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外科技競(jìng)賽、學(xué)生科技創(chuàng)新融合一體，有效地提升了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握和實(shí)踐應(yīng)用能力，增強(qiáng)了學(xué)生科技創(chuàng)新能力。

表1 歷屆全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽材料和模型型式

1 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)施，使得學(xué)生掌握工程材料實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施方法，掌握對(duì)萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的操作使用。

(2) 通過(guò)竹皮的抗拉、構(gòu)件的抗壓和抗彎實(shí)驗(yàn)，掌握不同尺寸竹皮以及膠水和竹皮復(fù)合體的力學(xué)性能變化特點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力。

(3)通過(guò)研究不同構(gòu)件尺寸變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用胡克定律、歐拉公式等基本力學(xué)原理分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握結(jié)構(gòu)選型和綜合設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，有利于學(xué)生將力學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力。

2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料采用大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽通常采用的本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮材料和502 膠水，竹皮厚度分別為0.20 mm，0.35 mm，0.50 mm。試件的制作均按竹皮的紋路進(jìn)行切割，桿件采用502 膠粘結(jié)。竹材參考力學(xué)指標(biāo)：密度為0.8 g/cm3，順紋抗拉強(qiáng)度為60 MPa，抗壓強(qiáng)度為30 MPa，彈性模量為6 GPa。

抗拉和抗壓實(shí)驗(yàn)采用WD-30KD 電子式萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，最大負(fù)荷30 kN，準(zhǔn)確度等級(jí)為1 級(jí)?？箯澰囼?yàn)采用KZJ-500 型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)，最大負(fù)荷5 kN，精度1%。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中竹皮模型的受力特點(diǎn)，采用竹條制作受拉構(gòu)件，受壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件則采用竹皮制作的桿件，用膠水作為竹皮的粘結(jié)材料。實(shí)驗(yàn)分為竹皮的抗拉實(shí)驗(yàn)、構(gòu)件的抗壓實(shí)驗(yàn)、構(gòu)件的抗彎實(shí)驗(yàn)、膠水與竹皮復(fù)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)四個(gè)內(nèi)容。加載實(shí)驗(yàn)如圖1 所示。

3.1 竹皮抗拉實(shí)驗(yàn)

抗拉實(shí)驗(yàn)選用的竹皮尺寸參數(shù)如表2 所示，共分兩組，第一組研究不同厚度竹皮的抗拉性能，第二組研究不同長(zhǎng)度情況下的竹皮抗拉性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)情況

表2 抗拉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 不同截面和長(zhǎng)度竹皮的拉力值

圖3 不同長(zhǎng)度竹皮的拉力值

圖2 中，0.20 mm，0.35 mm，0.50 mm 厚度的抗拉極限載荷平均值分別為45.68 N，131.7 N，287.4 N，厚度從0.20 mm 到0.35 mm 以及厚度從0.35 mm到 0.50 mm 的竹皮抗拉極限載荷值增幅分別為189.2%和124.1%，此時(shí)竹皮面積分別增長(zhǎng)75% 和53.7%，表明抗拉極限載荷增長(zhǎng)比例大于竹皮面積增長(zhǎng)比例，即厚竹皮抗拉荷重比性能更好。而圖3 的抗拉實(shí)驗(yàn)表明竹皮的抗拉強(qiáng)度與試件長(zhǎng)度關(guān)系不大。

3.2 構(gòu)件的抗壓實(shí)驗(yàn)

為了模擬競(jìng)賽制作桿件，抗壓實(shí)驗(yàn)分兩組，第1組為竹皮厚度0.2～0.5 mm、截面邊長(zhǎng)為1 cm×1 cm的單層空心桿件，尺寸參數(shù)和抗壓極限承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。第2 組竹皮厚度0.5 mm，截面邊長(zhǎng)為1 cm×1 cm 的單層/雙層方型空心桿件，尺寸參數(shù)和抗壓極限承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表3 的抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)0.2 mm，0.35 mm，0.5 mm 三種厚度竹皮桿件，長(zhǎng)度從 10 cm 增加到 15 cm 時(shí)，抗壓極限承載力的降幅分別為50.3%，33.2%，32.8%。表明桿件越長(zhǎng)抗壓極限承載力越小。竹皮厚度從0.2 mm，0.35 mm 到0.5 mm，桿件面積增幅分別為72.3%和40.6%。(1) 桿件長(zhǎng)度為10 cm 時(shí)，抗壓極限承載力的增幅為170.2%和194.0%；(2) 桿件長(zhǎng)度為15 cm 時(shí)，抗壓極限承載力的增幅為263.2%和195.9%，可見(jiàn)采用厚竹皮增加桿件面積更能提高桿件極限抗壓承載力。如果假定兩端簡(jiǎn)支，取彈性模量E=6 GPa，按照歐拉公式計(jì)算得到的失穩(wěn)承載力如表3 所示，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件主要表現(xiàn)為短柱受壓破壞。實(shí)驗(yàn)表明竹皮越薄則承受的壓應(yīng)力越低，主要是薄壁竹皮桿件更容易出現(xiàn)局部屈曲。

表3 不同厚度、長(zhǎng)度的桿件抗壓實(shí)驗(yàn)

表4 的抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，桿件截面中心固定的抗壓極限承載力比沒(méi)有中心固定增大了64.29%；雙層竹皮桿件抗壓值比中心不固定的單層十字竹皮桿件高60.71%，但略低于中點(diǎn)處固定單層桿件，而其自重比中心固定的單層十字竹皮桿件高47.0%。可見(jiàn)從荷重比來(lái)看，采用中點(diǎn)固定單層桿件最為有效。

表4 不同截面型式抗壓構(gòu)件實(shí)驗(yàn)

3.3 構(gòu)件的抗彎實(shí)驗(yàn)

采用表5 所示的不同厚度的竹皮制作8 mm×5 mm 矩形空心截面，抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

抗彎實(shí)驗(yàn)表明彎曲破壞發(fā)生在桿件受壓區(qū)，竹皮厚度增加能有效地增加桿件的抗彎性承載力，當(dāng)桿件的竹皮厚度從0.35 mm 增加到0.5 mm，抗彎荷重比增加168%，而采用雙層0.2 mm 竹皮和502 膠，抗彎荷重比比0.5 mm 厚的桿件增加248%，可見(jiàn)竹皮與膠水形成復(fù)合結(jié)構(gòu)后能明顯增強(qiáng)抗彎能力。

按照三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)正應(yīng)力計(jì)算公式：σ=M ·y/Iz，其中，M=FL/4，F(xiàn)為載荷，L為間距。計(jì)算得到極限載荷對(duì)應(yīng)的最大正應(yīng)力(受壓破壞) 如表5所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明膠水滴注可以提高竹皮的抗壓強(qiáng)度。

表5 抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 膠水與竹皮的復(fù)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

由于節(jié)點(diǎn)連接和桿件制作需要502粘結(jié)，502 膠水的使用會(huì)改變竹皮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選取 0.2 mm，0.35 mm 和雙層0.2 mm，在竹皮表面滴注滿膠水，并與未滴注膠水的情況進(jìn)行抗拉強(qiáng)度對(duì)比，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果如表6 所示。

表6 表明，在竹皮表面滴注膠水會(huì)增加其抗拉強(qiáng)度，0.2 mm，0.35 mm 和雙層0.2 mm 竹皮的抗拉強(qiáng)度分別增加了42%，24.6%，14.8%，均大于滴注膠水構(gòu)件重量增加量，越薄的竹皮增加比例越大。因此在制作受拉桿件模型時(shí)，可考慮滴注膠水增加竹皮強(qiáng)度來(lái)提高承載力。

表6 膠水對(duì)竹皮抗拉強(qiáng)度的影響

3.5 竹皮拉、壓實(shí)驗(yàn)位移曲線

0.2 mm 厚，10 mm 寬，10 cm 長(zhǎng)的竹皮受拉載荷?位移曲線如圖4 所示。0.2 mm 厚，截面10 mm×10 mm，長(zhǎng)10 cm 的竹皮方柱受壓載荷?位移曲線如圖5 所示。

圖4 受拉載荷?位移曲線

圖5 受壓載荷?位移曲線

圖4 表明受拉載荷與位移幾乎呈線性關(guān)系，即竹皮作為受拉構(gòu)件主要表現(xiàn)為彈性狀態(tài)。圖5 表明竹皮方柱截面受壓載荷位移曲線非線性特性明顯，當(dāng)受壓載荷超過(guò)受壓臨界載荷后位移增長(zhǎng)迅速，而承載力顯著降低。

4 結(jié)論

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽和土木工程材料實(shí)驗(yàn)等土木工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了竹皮及其桿件結(jié)構(gòu)的抗壓、抗拉和抗彎實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)表明：

(1)厚竹皮抗拉荷重比性能較好，竹皮的抗拉強(qiáng)度與試件長(zhǎng)度關(guān)系不大。

(2)實(shí)驗(yàn)竹皮桿件表現(xiàn)為短柱受壓破壞，桿件越長(zhǎng)抗壓極限承載力越小，越厚的竹皮桿件抗壓荷重比越好。

(3)厚竹皮抗彎荷重比承載力較好，膠水滴注可以提高竹皮的抗壓強(qiáng)度。

(4)抗拉實(shí)驗(yàn)表明膠水滴注對(duì)越薄的竹皮荷重比增加比例越大。

(5)竹皮受拉主要表現(xiàn)為彈性狀態(tài)，而竹皮方柱受壓非線性特性明顯。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展，提高了學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)施能力，有助于學(xué)生掌握不同尺寸竹皮的力學(xué)性能變化特點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生利用基本力學(xué)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力，提高工程結(jié)構(gòu)選型和綜合設(shè)計(jì)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。結(jié)合競(jìng)賽整體模型試驗(yàn)和有限元軟件數(shù)值分析的應(yīng)用，提高了學(xué)生應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的能力，2018 —2019 年獲得廣東省賽區(qū)1 項(xiàng)二等獎(jiǎng)和4 項(xiàng)三等獎(jiǎng)，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展有利于培養(yǎng)學(xué)生將力學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)際相聯(lián)系，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。