大学生结构设计竞赛受压空心长杆屈曲试验研究.pdf
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1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 大学生结构设计竞赛受压空心长杆屈曲试验研究王永宝,张 翛,张家广,高 阳,刘 芳(太原理工大学 土木工程学院,山西 太原 030024)摘 要:为探讨大学生结构设计竞赛常用竹皮制作的不同箱型空心长杆的轴压屈曲稳定性能,由不同队员采用竹皮制作了不同长度和截面形式的空心受压箱型长杆,测试了杆件的质量和极限承载力。试验结果表明:随杆件长度增加,受压长杆承载力和荷质比降低,双层竹皮长杆的荷质比可达 140 N/g
2、;现有竹材受压长柱计算公式能较为准确地计算其极限承载力;为提高竞赛成绩,应选择单层或双层竹皮制作的受压空心短柱作为结构设计模型杆件,但不同队员手工制作水平导致承载力差异较大,应着重处理角点等容易损坏的位置。关键词:结构设计;屈曲;箱型长杆;竹皮;试验中图分类号:TU366.1 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.003Experimental study on buckling of long hollow rods for university students structure design contestWANG Yongbao,Z
3、HANG Xiao,ZHANG Jiaguang,GAO Yang,LIU Fang(College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to study the bucking of different types of long hollow rods made of bamboo skins commonly used in the structural design competition of college students,the
4、long hollow rods with dif-ferent lengths and cross-section forms were made by bamboo skins.Then,the mass,bearing capacity were tested.The test results show that:with the increase of length,the bearing capacity and the load mass ratio decrease.And the load mass ratio of long member made by the double
5、-layer bamboo skin can reach 140 N/g.The existing calculation formula of the compressed long bamboo column can be used to calculate its ultimate bearing capacity.To improve the competitiveness,the hollow short rod made with single-layer or double-layer should be selected as a design member.But the b
6、earing capac-ity varies greatly due to different hand-made level of team members,so it is necessary to focus on the corner or other easily damaged positions.Key words:structure design;bucking;long hollow rods;bamboo skin;experiment 收稿日期:2021-07-28 修改日期:2021-08-19作者简介:王永宝,博士,副教授,主要研究方向为土木工程教学研究。E-mai
7、l:基金项目:山西省教学改革创新项目(项目编号:J2022152;J2021192;2020JG057);山西省基础研究计划项目(项目编号:20210302123082);太原理工大学教学改革创新项目(项目编号:2019JG069)。大学生结构设计竞赛是提高土木工程专业学生综合创新实践能力的一场全国性竞赛1-2,为高等学校实践教学提供了新思路3-4。经过多年发展,设计赛题及流程日趋完善,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5,而箱型空心杆以其抗压强度和稳定性好等优点,又逐渐成为结构模型的主要构件6。第十四届全国大学生结构设计竞赛的赛题为大跨度桥梁结构,而连续箱型空
8、心长杆纵梁能在保证结构完整性的同时,避免节点处理不足引起的结构破坏5,且结构简单、受力明确,成为参赛学生在结构设计竞赛杆件的一种良好选择7。但长杆箱型构件的长细比较大,失稳问题严重,如何在提高承载力,减小质量的前提下综合利用长杆成为了本次比赛的焦点8。单构件承载力研究是解决该难点的有效方法9。近年来,相关学者开展了竹材制作的受压和受拉杆件的受力性能试验研究,得到了不少有益的结论:黄慧茵6通过受压短柱试验,得出双层竹皮制作的边长为10 mm 杆件受力较好;贾新聪10和何春保11等开展了若干小尺寸的箱型空心压杆的极限承载力研究,但未分析长柱的稳定性;王磊等12测试发 现 边 长 为 5 6 mm
9、方 形 杆 的 荷 质 比 在120160 N/g 之间,但并未对边长和长度更大的构件进行研究13;徐正明14研究得到了33 mm 竹条长杆的屈曲承载力公式。但上述试验主要针对长度小于 20 cm 的轴心受压短柱,未深入分析并开展受压长柱(长度超过 20 cm)的屈曲稳定性试验。大跨桥梁结构中(第十四届大学生结构设计大赛赛题),长杆在结构中起到了骨架和支撑作用。采用竹皮制作的箱型空心杆受力性能与理论值之间的差异如何,如何根据理论分析的结果制作空心长杆需要通过试验进行研究。本文通过对不同截面形式及长度的箱型空心长杆件进行了轴向受压稳定性试验研究,对比了理论分析结果与实测结果的差异,找出了结构设计
10、竞赛选择空心长杆的最优设计截面和长度。1 试验概况1.1 试验件设计和试件参数试验采用 0.35 mm 和 0.50 mm 两种类型竹皮制作了 74 个边长为 10 mm 的不同箱型截面面积和长度的受压构件。其中,0.35 mm 单层竹皮制作构件的长度分别为 200、250、300、350、400、450 mm。由于杆件截面面积越大,承载力越大,不容易发生失稳破坏,因此,单层 0.50 mm、双层 0.35 mm 和双层0.50 mm 竹皮构件长度分别取 250、300、350、400、450 mm。相同尺寸的构件做两个试件,测试结果取其平均值。本试验采用的两类杆件截面类型如图 1 所示。(1
11、)单层 0.35 或 0.50 mm 竹皮制作的空心杆,为保证棱角处受力合理,设置了 5 个面;(2)双层 0.35或 0.50 mm 竹皮制作的空心杆。杆件类型和尺寸见表 1 所示,表中:L 为试件长度;t 为厚度;D 表示单层 竹 皮 杆 件;S 表 示 双 层 竹 皮 杆 件。例 如,D50-25,D 为单层竹皮,50 为竹皮厚度为 0.50 mm,25 表示试件长度为 250 mm。图 1 试验构件及加载过程示意图表 1 试件参数编号压杆类型L/mmt/mmD35-(2045)单 0.35 mm+5 个面2004500.35D50-(2545)单 0.50 mm+5 个面2504500
12、.50S35-(2545)双 0.35 mm2504500.70S50-(2545)双 0.50 mm2504501.001.2 材料特性和试件制作试验采用的竹皮购于同一材料厂商,为保证制作构件的成品率,试件制作过程中尽量选用材质均匀,竹节少的材料。箱型杆件的制作过程为先用铅笔在竹皮顺纹方向画线,之后在划线处折痕,但应尽量避免折断,然后沿着折痕方向卷成箱型,在角点和竹皮叠合处滴入胶水粘合,粘贴过程应随时检查胶水是否涂抹均匀13。图 1 给出了本次试验制作的空心杆。为对比不同参赛队员手工制作水平对构件极限承载力的影响,在招募的学生中针对相同类型构件选择不同组队学生进行手工制作。本次试验针对单层
13、0.35、单层 0.50mm 和双层 0.35mm 的空心杆分别让两组不同学生进行手工制作,每组有 3 名学生组成,参与手工制作的学生为均有结构设计竞赛手工制作经验的大二学生,自由组队形成。由于每名队员投入时间不同,不同队员之间制作水平有差异。在构件制作前仅告知根据荷质比结果选拔省赛参赛队员,在此激励制度下有理由相信学生的制作水平得到发挥充分。01 王永宝,等:大学生结构设计竞赛受压空心长杆屈曲试验研究1.3 试验装置和加载制度试验构件的加载测试采用济南川佰试验仪器有限公司生产的电子拉、压试验机进行。试验仪器最小分辨率为 1 N,受压行程为 80 cm,试验以每分钟10 mm 的速度加载,试验
14、加载过程中,试验机自行采集荷载峰值和位移值。当出现试件破坏或断裂时,加载过程自动终止并复位。图 1 给出了加载过程示意图。试验过程中将空心杆直接放入上下两侧受压钢板之间,两端的约束形式接近两端固结15,与结构模型制作采用胶水制作的固定节点设计较为类似。2 试验结果及分析2.1 屈曲理论由于本次试验的为长杆,长细比大于 40,杆件的受压失稳破压力 F(N)为14:Fmax=fc A(1)式中 fc为竹材受压应力,可取 30 MPa;A 为竹材截面积;受压杆件稳定系数,研究可得14,当长细比 双层 0.35 mm 单层 0.50 mm 单层0.35 mm。双层 0.5 mm 构件的承载力在 670
15、1200 N 之间,承载力较单层0.5 mm 竹皮承载力350600 N 提高一倍(较文献11的实验结果大,可能是边界条件存在差异);双层 0.35 mm 构件的承载力为 400800 N,说明截面面积提高两倍,承载力提高接近两倍,主要原因是双层构件结构缺陷越小,因手工制作导致的强度降低较小。构件截面形式需根据结构200250300350400450200400600800100012001400LE/NK/mm 0.35 0.50 0.35 0.50图 2 不同杆件长度的极限承载力模型实际承载力综合确定。2.3 荷质比图 3 给出了不同截面类型的空心杆荷质比随长度的变化关系。由图 3 可知,
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