大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中竹皮材料的抗拉性能研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TU531.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）13-0060-04

Abstract：Inthefieldofcivilengineeing，collegestudentstructuraldesigncompetitionsareanimportantplatformfor cultivatingstudents‘innovativeabiliesandpracticalskill.Thisresearchfocusesonthetensilepropertiesofbambooskin materialsandaimstoprovidescientificbasisfortheaplicationofbambooskinmaterialsinstructuraldesigncompetitions.In thispaper，auniversaltesting machinewasusedtotestthetensilepropertiesofbambooskinspecimensofdiferentsize，and theinfluenceofthethicknessandwidthofthespecimensonthetensilestrengthwasdiscussed.Thetestresultsshowthatthe tensilestrengthofthebambooskinmaterialiscloselyrelatedtothewidthandthicknessofthespecimen，withthespecimen with a width of 6 m m showing the highest tensile strength.In addition，increasing the number of layersof bamboo skin material cansignificantlyimproveitstensilestrength.Theresearchresultsprovideexperimentaldatasupportforoptimizingthedesignof bambooskin membersand areof great significance to improving the performance of structural design competitions.

Keywords：structuraldesign；bambooskinmaterial;mechanicalpropertytest;tensileproperty;innovationability

在土木工程領(lǐng)域，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽不僅是一項(xiàng)檢驗(yàn)學(xué)術(shù)理論的實(shí)踐平臺(tái)，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的重要途徑。這類(lèi)競(jìng)賽通過(guò)模擬實(shí)際工程問(wèn)題，要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)并制作出既經(jīng)濟(jì)又具有高性能的結(jié)構(gòu)模型，從而鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[1-2]。在眾多可選材料中，竹皮材料因其出色的力學(xué)特性和環(huán)境友好性，被廣泛認(rèn)為是構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型的理想選擇。竹皮的輕質(zhì)、高強(qiáng)度以及良好的彈性模量使其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中備受青睞，尤其是在需要考慮結(jié)構(gòu)自重與承載能力比值的情況下。此外，竹皮作為一種可再生資源，其使用也符合可持續(xù)發(fā)展的理念，體現(xiàn)了綠色建筑和環(huán)保設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。然而，盡管竹皮在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯示出巨大潛力，關(guān)于其在實(shí)際工程應(yīng)用中的力學(xué)行為，特別是其抗拉性能的具體表現(xiàn)和優(yōu)化利用，仍需進(jìn)一步的科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這涉及到竹皮材料的基本力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定、在不同荷載條件下的變形和破壞模式的分析，以及如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)最大限度地發(fā)揮其性能3-。通過(guò)這些研究，可以為竹皮材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽乃至實(shí)際工程中的應(yīng)用提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

韓愛(ài)紅等通過(guò)對(duì)不同尺寸類(lèi)型的竹皮材料結(jié)構(gòu)開(kāi)展相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn) 0 . 3 5 m m 的竹皮紙具有優(yōu)越的抗拉性能，且竹節(jié)對(duì)性能影響較小。此外，他們還探討了竹皮構(gòu)件的抗壓和抗彎性能，為結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。王永寶等8則針對(duì)竹皮和竹條制作的空心桿進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明單層竹皮構(gòu)件的極限承載力受到手工制作質(zhì)量的影啊，而雙層竹皮構(gòu)件的何質(zhì)比較大，可達(dá) 。這些研究為理解和應(yīng)用竹皮材料提供了重要見(jiàn)解。何春保等通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以竹皮材料試件的長(zhǎng)度和厚度為研究變量，研究其抗壓、抗拉和抗彎性能，且發(fā)現(xiàn)了膠水滴注后，可以有效增加其荷重比。許書(shū)藝等[則通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)探究了竹皮構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比以及隔片對(duì)試件屈曲應(yīng)力的影響，為優(yōu)化竹皮構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。陳強(qiáng)等通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了竹片坡口連接與抗拉力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)坡口斜接的竹片能夠提升抗拉性能。王永寶等[2針對(duì)條狀和空心桿狀的竹皮構(gòu)件開(kāi)展了軸拉和軸壓試驗(yàn)，分析了構(gòu)件的破壞形式、荷質(zhì)比和應(yīng)力，為選擇合適的拉條和空心桿提供了參考。賈新聰13則對(duì)結(jié)構(gòu)競(jìng)賽模型材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，著重關(guān)注基礎(chǔ)構(gòu)件材料的物理力學(xué)性能，以此為基礎(chǔ)對(duì)模型的設(shè)計(jì)和制作進(jìn)行探索，為該模型材料的合理使用提供了理論依據(jù)?？壮萚4的研究聚焦于第十二屆全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，探討了承受多荷載工況的大跨度空間結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)算、截面選擇及制作技巧，研究強(qiáng)調(diào)了在模型設(shè)計(jì)時(shí)考慮豎向靜荷載的同時(shí)，還需計(jì)入隨機(jī)選位荷載及移動(dòng)荷載等多種荷載作用，并在模型自重最小的條件下完成指定加載點(diǎn)處的三級(jí)加載。王永寶等15的研究針對(duì)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中常用的竹皮材料，探討了不同箱型空心長(zhǎng)桿的軸壓屈曲穩(wěn)定性能，通過(guò)測(cè)試不同長(zhǎng)度和截面形式的空心受壓箱型長(zhǎng)桿的質(zhì)量和極限承載力，研究發(fā)現(xiàn)桿件長(zhǎng)度增加時(shí)，受壓長(zhǎng)桿承載力和荷質(zhì)比降低，研究建議選擇單層或雙層竹皮制作的受壓空心短柱作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型桿件，并強(qiáng)調(diào)了手工制作水平對(duì)承載力差異的影響。張迅等[1的研究以第十屆亞洲土木工程邀請(qǐng)賽為背景，從材料力學(xué)性能、橋梁概念設(shè)計(jì)、數(shù)值優(yōu)化等方面，闡述了用竹材制作的彎橋在受到靜力載荷和移動(dòng)載荷時(shí)的模型優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟和方法，通過(guò)對(duì)比靜、動(dòng)力仿真和實(shí)體模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的可靠性，并對(duì)比賽結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)與反思。研究為今后的類(lèi)似賽事提供了參考。

從已有研究成果可知，盡管學(xué)者們對(duì)竹皮材料的抗拉性能進(jìn)行了一定程度的探討，但在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的應(yīng)用背景下，仍需進(jìn)一步深入研究以?xún)?yōu)化竹皮構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。本文旨在通過(guò)對(duì)竹皮材料抗拉性能開(kāi)展研究，以期為未來(lái)的研究和實(shí)踐提供參考。

1竹皮材料抗拉性能試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

在開(kāi)展竹皮材料的抗拉性能試驗(yàn)之前，首先要制備開(kāi)展試驗(yàn)所需的試件。本文選擇的竹皮材料來(lái)源于同一批次，這樣可確保材質(zhì)均勻且竹節(jié)較少。試件編號(hào)采用“厚度-寬度”的形式，如“ 表示 厚，6 m m 寬的試件。竹皮材料的試件類(lèi)型有5種： （ ，試件的長(zhǎng)度均為3 0 c m 。所有竹皮在試驗(yàn)前均放置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下進(jìn)行平衡處理，以達(dá)到穩(wěn)定的含水率。試件的尺寸精度需控制在 以?xún)?nèi)，確保尺寸的一致性。每個(gè)試件在兩端中心位置標(biāo)有中心線(xiàn)，以便于后續(xù)的加載試驗(yàn)。對(duì)所有試件進(jìn)行外觀檢查，剔除有明顯缺陷的試件。使用卡尺和電子秤對(duì)試件的尺寸和質(zhì)量進(jìn)行復(fù)核，確保試件滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。合格試件按照規(guī)定的存放條件進(jìn)行儲(chǔ)存，避免受潮、陽(yáng)光直射或溫度變化大的環(huán)境，直至進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)上述步驟，可確保試件的一致性和可靠性，為后續(xù)的抗拉性能試驗(yàn)提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文將利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)竹皮材料實(shí)施拉伸加載，加載過(guò)程主要是依靠位移加載，加載速度設(shè)定為0 . 2 m m / m i n ，直至試件破壞。期間詳細(xì)記錄每個(gè)試件在破壞時(shí)的最大荷載和試件破壞時(shí)的形態(tài)。最終對(duì)所有試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)比不同類(lèi)型竹皮材料的抗拉強(qiáng)度，分析各因素對(duì)抗拉性能的影響。竹皮材料在拉伸荷載作用下的受力示意圖如圖1所示。

竹皮試件材料的彈性模量 E 與外加荷載 P 之間的關(guān)系式為

式中： E 為竹皮試件材料的彈性模量； Δ P 為外加荷載

的變化增量； Δ ε 為竹皮試件材料的應(yīng)變?cè)隽浚?B 為竹皮試件材料的寬度； T 為竹皮試件材料的厚度。

竹皮試件材料的抗拉強(qiáng)度 與外加荷載 P 之間的關(guān)系式如下

式中： 為竹皮試件材料的抗拉強(qiáng)度； 為竹皮試件材料受拉破壞最大拉伸荷載。

由于材料尺寸固定后，其抗拉強(qiáng)度和破壞時(shí)的最大拉伸荷載的數(shù)值基本是確定的，將抗拉強(qiáng)度和破壞時(shí)的最大拉伸荷載間的比值定義為強(qiáng)荷比 ξ ，因此將式（2）進(jìn)行相應(yīng)的變化，可得

2竹皮材料抗拉性能影響規(guī)律分析

為了便于分析各影響因素對(duì)竹皮材料抗拉性能的影響規(guī)律，本文將采用單因素變量法對(duì)其開(kāi)展研究。基于試驗(yàn)材料的制備，竹皮材料的寬度 T 按照等梯度變化，其遞增梯度為 分別為1、2、3、4、5 . 6 m m ；竹皮材料的寬度 B 按照等梯度變化，其遞增梯度為 ，其厚度 B 分別為 0 . 5 ， 1 ， 1 . 5 ， 2 ， 2 . 5 ， 3 m m 。將上述數(shù)據(jù)代入式（2）后可得，強(qiáng)荷比 ξ 與厚度 B 寬度 T 之間的關(guān)系，如圖2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著竹皮材料寬度和厚度的增加，其強(qiáng)荷比逐漸降低，且寬度的變化對(duì)強(qiáng)荷比的影響較大。另外，厚度在小區(qū)間范圍內(nèi)增加過(guò)程中，強(qiáng)荷比的降低幅度越大，隨著厚度越來(lái)越大，強(qiáng)荷比的降低幅度越來(lái)越小。

形態(tài)（圖3），其一為在中間區(qū)域形成有一定斜度的破壞，其二為在試件兩端形成截?cái)嗥茐摹Ｓ善茐男螒B(tài)可知，隨著竹皮材料試件厚度的增加，在拉伸荷載作用下越不易在試件中間部位破壞，其拉伸破壞的斷口向試件兩端移動(dòng)。

3竹皮材料抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1竹皮材料抗拉破壞特征

通過(guò)對(duì)竹皮材料開(kāi)展抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)竹皮材料在拉伸荷載作用下的破壞特征主要有2種破壞

3.2竹皮材料抗拉破壞力學(xué)特性

不同類(lèi)型竹皮材料的抗拉破壞力學(xué)特性如圖4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，竹皮材料的寬度對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響最為顯著，其次是竹皮厚度。其中竹皮材料的寬度為 6 m m 時(shí)，其抗拉強(qiáng)度是最大的，其抗拉強(qiáng)度相較于寬度為 2 m m 和 3 m m 的竹皮材料而言分別高出 2 7 . 3 % 和 2 5 . 6 % ；當(dāng)寬度為 2 m m 和 時(shí)，此時(shí)竹皮材料的抗拉強(qiáng)度接近，兩者的平均抗拉強(qiáng)度僅相差 3 . 0 4 M P a ，說(shuō)明竹皮寬度和厚度接近時(shí)，此時(shí)對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響較小。但是當(dāng)竹皮材料試件的寬度相近時(shí)，此時(shí)增加一層竹皮材料可使其抗拉強(qiáng)度大幅提升，其平均提升幅度為 6 0 % 。

4結(jié)論

1）竹皮材料的抗拉強(qiáng)度與其寬度有顯著的正相關(guān)性，特別是寬度為 6 m m 的試件，相較于寬度為 2 m m 和 3 m m 的試件，展現(xiàn)出更高的抗拉強(qiáng)度。

2）在竹皮材料試件寬度相近的情況下，增加試件的厚度可以顯著提高其抗拉強(qiáng)度，平均提升幅度約為6 0 % 。

3）研究結(jié)果可為大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中竹皮材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，同時(shí)可建議在設(shè)計(jì)時(shí)考慮適當(dāng)增加竹皮材料的寬度和厚度，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。

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