加肋箱型長桿極限承載力實驗研究

1、加肋箱型長桿極限承載力實驗研究1)摘要 為研究加肋箱型空心長桿的力學(xué)性能，采用竹皮和竹條制作了 147個長度、截面形式和制作方法 不同的桿件，測試了承載力和荷質(zhì)比。結(jié)果表明：桿長在250350 mm桿件破壞載荷介于受壓和失穩(wěn)破壞之 間；無論荷質(zhì)比還是承載力，雙層桿件優(yōu)于單層桿件；在制作桿件時，應(yīng)對竹皮缺陷、桿件棱角進(jìn)行補強。本文 源自大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的橋梁結(jié)構(gòu)模型，對培養(yǎng)大學(xué)生將力學(xué)與實踐相結(jié)合的創(chuàng)新能力有所助益。關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)設(shè)計，承載力，加肋長件，竹皮，試驗EXPERIMENTAL STUDY ON ULTIMATE CAPACITY OF BOXSTIFFENED BAR UNDER

2、COMPRESSION1)Abstract In order to study the mechanical properties of the long hollow box with stiffened bar, this study measured the bearing capacity under different load-mass ratio of 147 test pieces of various length and crosssection, which are made of bamboo skin and strips using distinct methods

3、. The test results show that the failure of the bar with length within 250 350 mm is between compression failure and instability failure, and the bearing capacity and load-mass ratio for double-layer bars are better than those of single-layer bars. It is necessary to repair/strengthen the defects of

4、 bamboo skin and the edges of the bar during the preparation progress. This study is part of a college competition of structural design of bridges, aiming to cultivate students innovation in combining mechanical theory and engineering.Key words structural design, capacity, long stiffened bar, bamboo

5、 skin, experiment結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽通過設(shè)置與實際工程相符的賽題 來引導(dǎo)大學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，從而提高大學(xué) 生創(chuàng)新實踐能力1-磯 近年來，設(shè)計賽題日趨完善, 逐漸形成了以竹條、竹皮和502膠水為材料的模型 制作模式【3。經(jīng)過多年比賽經(jīng)驗總結(jié)，箱型空心桿 件成為比賽桿件制作的主要形式56。選用何種桿件 形式和制作方法，能夠在保證較高承載力的同時，有 合適的荷質(zhì)比，成為比賽的難點7。針對竹材桿件承載力研究方面，黃慧茵等8測 量了不同厚度、截面桿件的抗拉抗壓性能，得出雙 層，邊長為9 mm/10 mm桿件效果最好；賈新聰?shù)?研究了若干 5 mm x 5 mm 和 7 mm x 7 mm

6、 方形空心 壓桿的承載力，給出了竹材受壓強度可取30 MPa， 但并未對相應(yīng)構(gòu)件的破壞形態(tài)進(jìn)行分類，也未對構(gòu) 件選擇提出建議；王磊等10測試了邊長為5 mm和 6 mm三角形和方形空心桿的承載力，發(fā)現(xiàn)荷質(zhì)比 在120160 N/g之間，根據(jù)荷質(zhì)比最高原則選擇了 合適的截面尺寸，但并未對邊長更大的構(gòu)件(邊長 12 mm)及長柱進(jìn)行研究11。第十四屆全國大學(xué)生 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的賽題，要求設(shè)計一座變參數(shù)的橋梁, 長桿件的使用在模型制作中起了重要作用。比賽中, 箱型受壓短桿以其承載力大、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢得到 廣泛應(yīng)用，但由于桿件短、節(jié)點多，多個連接點可能 會使結(jié)構(gòu)連續(xù)性較差，節(jié)點成為薄弱環(huán)節(jié)；而長桿雖 然

7、連續(xù)性好，但由于整根桿件長度過長，易發(fā)生失穩(wěn) 屈曲，降低了單根桿件承載力。通過對不同竹皮、竹條組合，以及不同桿長的加 肋箱型空心桿進(jìn)行軸壓承載力試驗研究，探究長桿 的極限承載力和荷質(zhì)比，為結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽選擇合適的截面和桿長提供參考。1試驗概況1.1試件設(shè)計和參數(shù)試驗采用0.35 mm，0.5 mm 厚竹皮和2 mm xmm， 3 mm x 3 mm 竹條制作了 147 個邊長 為10 mm的箱型截面受壓桿構(gòu)件，試件長度為 250 mm， 300 mm， 350 mm， 400 mm， 450 mm， 500 mm， 550 mm等7種類型，相同類型的構(gòu)件3 根。由于材料限制，未進(jìn)行單層0.5 m

8、m竹皮，4根mm x 3 mm桿件的試驗。主要測試桿件見表1，表中L為桿長、1為壁 厚。D表示單層竹皮和竹條組合桿件；P表示雙層竹 皮和竹條組合桿件；2 mm x 2 mm 和3 mm x 3 mm 表示采用尺寸為 2 mm x 2 mm 和 3 mm x 3 mm 的 竹條做角點。例如，D353-25，D為單層竹皮和竹 條，35表示竹皮厚度為0.35 mm，3表示竹條邊長為 3 mm x 3 mm，25表示桿長為250 mm。表1試件參數(shù)編號壓桿類型/mmL/mmt/mm編號壓桿類型/mmL/mmt/mmD352-(25 z 55)單 0.35 + 2 x 2250z 5500.35P352

9、-(25 z 55)雙 0.35 + 2 x 2250 z5500.7D353-(25 z 55)單 0.35 + 3 x 3250z 5500.35P353-(25 z 55)雙 0.35 + 3 x 3250 z5500.7D502-(25 z 55)單 0.50 + 2 x 2250z 5500.50P502-(25 z 55)雙 0.50 + 2 x 2250 z5501.0P503-(25 z 55)雙 0.50 + 3 x 3250 z5501.01.2材料特性和試件制作試驗采用的竹皮和竹條均購于同一材料廠商，試 件制作過程中盡量選用材質(zhì)均勻、竹節(jié)少的材料。單 層箱型加肋桿件的制作

10、采用先用鉛筆在竹皮上畫線, 之后剪成條帶狀，用竹條作為連接條帶狀竹皮的媒 介，滴入膠水粘合。在制作雙層構(gòu)件時，有外層貼片 和外層裹竹皮兩種制作方法，外層貼片法即將四個 條帶狀的竹皮貼在單層桿件外層；外層裹竹皮法即 將畫好線的竹皮用刀背劃出劃痕，彎折粘在單層桿 件外側(cè)(制作見圖1(a)圖1(b)。圖1(c)給出了制 作的空心桿。1.3試驗裝置和加載制度試驗加載裝置采用濟(jì)南川佰試驗儀器有限公司 的電子拉、壓試驗機(jī)，試驗最小分辨率為1 N，以每 分鐘10 mm的速度加載，當(dāng)出現(xiàn)試件破壞或斷裂時, 加載過程自動終止并回彈。圖1(d)給出了加載過程 示意圖。試驗過程為：將制作的受壓桿置于兩加壓平 臺之間

11、，調(diào)節(jié)控制面板位置，使壓桿剛好處于接觸狀 態(tài)，調(diào)整控制面板的加載速率進(jìn)行加載，直至構(gòu)件出 現(xiàn)破壞，加載結(jié)束，拍照記錄破壞形態(tài)。構(gòu)件制作和 加載均由大二本科生完成。(c)空心桿(d)加載過程示意圖圖1試件構(gòu)件及加載過程示意圖2構(gòu)件理論承載計算2.1軸壓破壞只考慮受壓狀態(tài)時，桿件軸向內(nèi)力Fmax為Fmax = A(1)式中，a為許用應(yīng)力，取30 MPa回；A為面積。2.2失穩(wěn)破壞由于本次試驗采用長桿，桿件可能發(fā)生受壓失 穩(wěn)破壞。根據(jù)木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)3，屈曲承載力為Fmax = fc A(2)式中，fc為軸心抗壓強度理論值，取30 MPa； 9為 桿件穩(wěn)定系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)長細(xì)比人6 91.45時9 =

12、(3)1 + 42343試驗結(jié)果及分析3.1試件破壞形態(tài)桿件理想的破壞形式為截面擴(kuò)張導(dǎo)致桿件中部 脆斷或向外彎折，但大多情況會由于竹皮質(zhì)量差異 或制作時側(cè)面竹皮的膠水涂抹不均勻，導(dǎo)致桿件某 個面向外彎折，且彎折點在中部。表2給出了受壓桿件破壞的統(tǒng)計分析結(jié)果。由 表2可知，桿件主要有局部破壞、中部破壞和側(cè)棱 粘結(jié)處破壞三種形式，總體上中部失穩(wěn)破壞要略多 于另外兩種破壞，占總數(shù)的42.9%。其余兩種破壞占 比相差較小，且桿件在不同桿長范圍發(fā)生破壞具有 一定規(guī)律：桿長小于350 mm時，桿件破壞主要由于 竹皮缺陷導(dǎo)致的局部失穩(wěn)及手工處理不精細(xì)導(dǎo)致的 側(cè)棱處竹皮與竹條開裂分離。另外，隨桿長增大，屈表2

13、不同破壞形態(tài)桿件數(shù)統(tǒng)計分析(單位：個)桿長/mm局部破壞中部破壞側(cè)棱粘結(jié)處開裂2506873001155350795400710445059750021095503126總計416343曲失穩(wěn)成為主要破壞形式，局部缺陷對桿件影響小 于中部大撓度對桿件影響。截面形式不同，破壞有一定規(guī)律，無論是單層還 是雙層，發(fā)生次數(shù)最多的均是失穩(wěn)破壞，而雙層和單 層的區(qū)別即雙層結(jié)構(gòu)在中部和側(cè)棱粘結(jié)處2種破壞 出現(xiàn)的次數(shù)會顯著減少，因此建議對單層桿件采取 一定的加固措施，以避免非理想破壞形式。局部破壞局部破壞形態(tài)見圖2,這與理想破壞狀態(tài)不符, 大多發(fā)生在桿件端部，包括局部開膠、竹皮劈裂等。 該種破壞是由制作不細(xì)致

14、，或未彌補竹皮缺陷造成 的，從而不能很好地發(fā)揮桿件承載力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)荷質(zhì) 比低，因此需要避免。中部失穩(wěn)破壞中部破壞一般是桿件中部位置的竹皮在不均勻 豎向載荷作用下，發(fā)生彎折或開膠現(xiàn)象，如圖3。為 避免失穩(wěn)，需加強桿件制作時在中部附近折角處竹 皮間的粘結(jié)性，或用0.2 mm厚竹皮彌補缺陷。并在 選取桿長時，在允許范圍內(nèi)，選用短桿來提高受壓穩(wěn) 定性，減少受彎破壞。圖3中部失穩(wěn)破壞形態(tài)側(cè)棱粘結(jié)處開裂側(cè)棱粘結(jié)處開裂也是與理論狀態(tài)不符的破壞形態(tài)，具體破壞形態(tài)見圖4。由圖4可知，該種破壞形式大多出現(xiàn)在桿件中部，包括棱角處竹皮與竹條分 離、棱角處竹皮劈裂及棱角粘貼處開膠等，很大程度 上降低了桿件的承載力。產(chǎn)生

15、該種破壞的主要原因 是側(cè)棱處竹皮缺陷、補強膠水過少、粘貼效果差等。圖4棱角開裂破壞形態(tài)3.2極限承載力圖5給出了不同截面形式桿件承載力隨桿長變 化關(guān)系。圖中桿件除標(biāo)注貼片法外，其余均采用外 裹法制作。圖5中承載力選取3個相同構(gòu)件承載力 最大值，重在表明在相同類型材料下，可以制作相 應(yīng)較高承載力的構(gòu)件，以便為參賽者選擇合適桿件 提供參考。由圖5可知，隨桿長增加，承載力下降, 且D353和P353構(gòu)件隨邊長增加下降速度最快；除 此以外，雙層竹皮桿件優(yōu)于單層竹皮桿件，且加入 3 mm x 3 mm竹條的效果要優(yōu)于換成較厚的竹皮構(gòu) 件的承載力。編號L/mm式(1)理論值/N式(2)理論值/N試驗值/N

16、試驗值/式(1)理論值試驗值/式(2)理論值P3532501978141919160.971.35P35330019781262編號L/mm式(1)理論值/N式(2)理論值/N試驗值/N試驗值/式(1)理論值試驗值/式(2)理論值P3532501978141919160.971.35P3533001978126215260.771.21P3533501978111613460.681.21P502400180098411430.641.16P35245013786527210.521.11P50250018007847890.441.01P50355023108547850.340.92表4考

17、慮穩(wěn)定性時最優(yōu)桿件理論值與試驗值對比值(a)單層竹皮+竹條結(jié)構(gòu)圖5桿件極限承載力與桿長的關(guān)系表3僅考慮受壓時桿件理論值與試驗值對比值(單位：N)編號式理論值試驗值試驗值/理論值D3529156810.74D353151513080.86D50211107620.69P352137914171.03P353197919160.97P502180014710.82P503231017940.78因此，當(dāng)桿長低于250 mm時，可只考慮豎向受 壓載荷使桿件破壞。當(dāng)桿長超過250 mm時，則需考 慮失穩(wěn)破壞，且隨桿長增長，試驗值與失穩(wěn)破壞理論 值之比會逐漸變小，550 mm時為0.92，小于理論破 壞

18、值。對于需要較大承載力的重要結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，為避 免桿件發(fā)生失穩(wěn)屈曲，推薦使用300 mm以下的雙 層桿件。另外，單層竹皮，桿長250 mm桿件承載力達(dá) 1308 N，同桿長100 mm的桿件相比，承載力相差 不大，滿足比賽需求，因此在結(jié)構(gòu)允許情況下，使 用連續(xù)性較好的桿長250 mm桿件，截面形式可采 用0.35 mm厚竹皮，4根3 mm x 3 mm竹條的組合 結(jié)構(gòu)。3.3荷質(zhì)比圖6給出了不同桿件荷質(zhì)比隨桿長的變化關(guān)系。 由圖6可知，荷質(zhì)比隨桿長變大而減小的趨勢逐漸(7(7MN)/-螟據(jù)圖6圖6荷質(zhì)比隨桿長的關(guān)系(TW.N)/-螟據(jù)變緩，且不同截面之間荷質(zhì)比的差值也在逐漸縮小。 大多情況下，雙

19、層桿由于極限承載力遠(yuǎn)大于單層桿 件，且桿件主要的質(zhì)量增加是由竹條引起，增加竹皮 厚度在很好提升承載力的同時，質(zhì)量增加較小，因此 荷質(zhì)比略大于單層桿件。桿件小于350 mm時，不同桿件的荷質(zhì)比相差 較大，最大和最小荷質(zhì)比相差37 N/g，而桿件為 400 mm時，最大和最小荷質(zhì)比僅相差17 N/g；因 此在小于350 mm時的桿件截面形式選擇將影響結(jié) 構(gòu)模型質(zhì)量。由圖6(b)可知，P352-35桿件在保證較 大長度時，荷質(zhì)比較大，較適合做備選桿件。桿件過 長時，荷質(zhì)比較小，且制作時竹皮結(jié)構(gòu)裁剪和粘接困 難，使得桿件發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，不建議使用【I4。對比圖5和圖6可知，各長度最佳荷質(zhì)比桿件, 大多不

20、是極限承載力最大桿件。如300 mm時，荷質(zhì) 比與承載力較優(yōu)的桿件，承載力相差不大，但質(zhì)量較 荷質(zhì)比較優(yōu)桿件減少了 2.3 g。與相同截面形式100 mm的桿件相比，100 mm 的桿件荷質(zhì)比要遠(yuǎn)大于250 mm桿件，單位長度 荷質(zhì)比也較大。如單層0.35 mm厚竹皮，4根 2 mm x 2 mm 竹條截面，桿長100 mm 的荷質(zhì)比 達(dá) 400 N/g，而 250 mm 只有 140 N/g，500 mm 只有 34 N/g。桿件過長，荷質(zhì)比過小，不建議使用，桿件 過短，則連接點難以處理，若整體受彎，則短桿節(jié)點 處極易破壞，因此建議使用長度在250350 mm的 桿件。且使用雙層0.35 mm竹皮十2 mm x 2 mm竹 條的截面形式較為合適。3.4制作方法為探討外裹法和貼片法(