大学生结构设计竞赛受压空心长杆屈曲试验研究.pdf

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;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,ZHANG 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 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-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 bearing 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-mail: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 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)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2504500.50S35-(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 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 6701200 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,双层 0.5 mm 杆件不仅具有较高承载力,且荷质比最大,但由于杆件尺寸变长,荷质比 由 250 mm 时 的 144 N/g 降 低 到450 mm 长度时的 50 N/g,降幅达 65%,为相同尺寸的受压短柱(100 mm 长)的 350 N/g 的 1/7,说明若非必要,在结构设计中应尽量选择受压短柱;若不可避免需要设置长柱,可通过设置张弦梁的方式降低构件计算长度,从而提高构件极限承载力5。20025030035040045020406080100120140160K/mm9C/(N/g)0.35 0.50 0.35 0.50图 3 不同构件的荷质比随长度变化除了双层 0.5 mm 制作构件的荷质比较大外,其余三种(单层 0.35、单层 0.50 和双层 0.35 mm)的荷质比相差不大,且均出现随着杆件长度变化逐渐减小的规律。因此对单层 0.35,单层 0.50,双层0.35 mm 竹皮制作的空心杆,需根据有限元软件计算的极限承载力合理选择截面形式。由于 200 mm 和 250 mm 长度的杆件荷质比在80120 N/g,在此长度范围内杆件的荷质比降幅较小。因此,为避免构件发生屈曲稳定性破坏,针对边长为 100 mm 的构件,构件长度应控制在 250 mm 以下,这样才能保证构件具有较高的荷质比,提高稳定系数8。可偏保守的取双层 0.35 mm 截面,长度小11于 250 mm,此时荷质比可大于 100 N/g。2.4 理论与试验结果对比当竹材抗压强度 fc取 37 MPa 时,图 4 给出了采用公式(1)计算的极限承载力结果与实测承载力结果对比情况。由图 4 可知,试验结果与理论结果吻合较好,这说明对于受压箱型杆件,采用公式(1)能较为准确地预测构件的极限承载力。若竹材抗压强度 fc=30 MPa,则采用文献14公式计算结果仅为试验值的 0.7 倍,这低估了空心受压箱型杆的极限承载力。但贾新聪10发现受压空心杆竹皮受压短柱的极限承载力仅为 2527 MPa,较材料供应商提供的顺纹方向抗压强度 30 MPa 低,为了设计安全考虑,在进行受压长杆极限承载力计算时,可按30 MPa 取值,能满足设计要求。200400600800100012001400200400600800100012001400*A(N)BP(N)y=0.9962x+0.2178R2=0.8677图 4 理论计算值与实测值对比3 手工制作影响分析图 5 和图 6 给出了三组不同截面尺寸(单层0.35、单层 0.50 和双层 0.35 mm)构件的极限承载力和荷质比结果随构件长度的变化情况。图中柱状体上侧数据为第 1 组减去第 2 组数值。由图 5 的极限承载力对比结果可知,受不同组队学生手工制作熟练程度影响,对相同构件,不同组队学生制作构件的承载力存在一定差异。整体而言,构件承载力越大(长度越小,截面尺寸越大),不同组制作构件的承载力差别越大,即 S35-25 杆件和 S35-20 杆件的承载力差别最大,分别为-178 N 和 148 N;而单层0.35 和 0.50 mm 竹皮制作的长柱极限承载力差别较小。因此对承载力较高的构件(长度越小,截面尺寸越大),需重点关注手工制作,避免因手工制作误差导致结构损坏。由图 6 可知,与极限承载力变化规律略有不同,杆件越长,不同队由手工制作的承载力结果差异越20025030035040045002004006008001000-138-415697-178-16148-38858958-33-3372115LE/NK/mm 0.35+114 0.35+124 0.50+114 0.50+124 0.35+114 0.35+124148图 5 不同组队极限承载力对比2002503003504004500204060801001201.2-1.11.218.9-20.36.8-7.1-5.428.4-6.28.3-10.5-2.013.428.48.7K/mm 9C/(N/g)0.35+114 0.35+124 0.50+114 0.50+124 0.35+114 0.35+124图 6 不同手工制作对荷质比影响小。对单层 0.5 mm 构件和双层 0.35 mm 杆件长度为 350450 mm 的长柱而言,两组制作水平无显著差异,但对 250 mm 和 300 mm 长度的构件,荷质比相差高达 28 N/g;对单层 0.35 mm 空心杆,由于在选择竹皮材料和棱角位置处理不好,从而导致除了长度 350 mm 差别不大外,其余尺寸的差别均较大,最大可达 28 N/g。单层 0.35 mm 构件在短柱时荷质比差别较长柱大,主要原因为长柱失稳破坏,上述分析说明通过大量手工训练,也能显著提高构件荷质比,特别是受压短柱荷质比,这能解释对于不同团队,虽然采用相同结构模型和相同的构件,但结构极限承载力仍差别较大。上述分析表明,实际比赛模型结构设计中,应根据结构设计整体有限元计算结果选择单层或双层0.35 mm 竹皮制作的受压空心短杆(长度小于250 mm),此类构件的承载力和荷质比均较大,但不同组队之间手工制作差异会导致出现缺陷,因此,对荷质比较大受压短柱应加强参赛队员手工制作水平训练,减小构件缺陷,提高比赛成绩。21 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4 结语本文通过对不同构件长度和截面形式的空心箱型杆件进行受压屈曲试验研究,主要得出以下结论:(1)受压空心长杆的极限承载力和荷质比随构件长度增加而逐渐减小,双层 0.5 mm 构件的荷质比在 50 140 N/g 之间,在 250 mm 长度时较高,但荷质比随杆长增加下降最快;单层 0.5 mm 和双层0.35 mm 构件在杆长小于 250 mm 时,也具有超过100 N/g 的荷质比,且随杆长增加降低较小。(2)现有关于竹材受压长柱极限承载力的计算公式能较为准确地计算受压空心箱型受压长杆的极限承载力,为偏于安全设计,对长细比小于 91 的构件,可取竹材的抗压强度为 30 MPa。(3)从不同队员的手工制作角度考虑,为提高整体模型的荷质比,取得优异成绩,应选择单层0.50 mm 或双层 0.35 mm 的受压空心短柱(长度小于 250 mm),但手工制作难度增大,应着重处理角点等容易出现损坏的位置;针对手工不太熟练的组队,为减少手工制作误差引起的结构损坏,可考虑采用双层 0.35 或 0.50 mm 的竹皮制作的箱型空心杆。参考文献(References):1 王永宝,靳瑾,张晋杰,等.基于课堂教学活动的结构设计竞赛培训制度J.教育教学论坛,2020(34):71-73.2 谢明志,杨永清,贾宏宇.土木工程实践教学创新与大学生结构设计竞赛耦合模式探析J.高等建筑教育,2020,29(5):137-142.3 李炜明,马腾飞.土木工程课程教学与结构设计竞赛融合模式的探索J.实验室研究与探索,2019,38(8):216-219.4 丁广龙,夏镇波,辛志宏,等.创新创业教育:新工科类大学生学科竞赛体系构建J.创新与创业教育,2019,10(2):121-125.5 邹翼,王庆,程玉珍,等.竹皮结构设计与制作分析J.高等建筑教育,2018,27(4):73-81.6 黄慧茵,冯锦垚,张兆劲,等.大学生结构设计大赛竹皮材料力学性能试验研究J.建筑建材装饰,2019(18):179-180.7 邵文琦,苏骏.第五届湖北省大学生结构设计竞赛实践与探讨J.教育教学论坛,2018(25):148-149.8 宋晓冰,吴晓昂,闫斌,等.大学生结构设计竞赛方案设计原则及案例分析J.力学与实践,2020,42(3):388-393.9 刘明晖,王伟.以结构设计竞赛为契机 培养学生创新实践能力J.实验室研究与探索,2013,32(4):238-242.10 贾新聪.结构竞赛模型材料物理力学性能及模型设计制作研究D.郑州:华北水利水电大学,2018.11 何春保,张兆劲,冯锦垚.结构设计竞赛科技创新试验项目的设计与实践J.力学与实践,2020,42(5):665-670.12 王磊,付果,吴仕荣.大跨屋盖结构设计研究 以第十届全国大学生结构设计竞赛为例J.福建建筑,2017(8):34-37,69.13 常海林,张旭钦,钱格军,等.大学生结构设计大赛材料力学性能试验研究J.高等建筑教育,2017,26(5):108-114.14 徐正明,罗兆辉,高占远.结构设计竞赛竹材的轴心抗压性能研究J.天津城建大学学报,2020,26(3):173-177.15 刘承斌,王步宇,孙凤钢,等.结构设计大赛材料性能试验J.实验室研究与探索,2007(10):181-182,185.(上接第 8 页)是培养、开拓学生综合素质和创新能力提高行之有效、且不可或缺的一种实验教学模式。参考文献(References):1 Pourbaix M.Corrosion,Passivite&Passivation du Fer.LeR le du pH et du Potentiel N.Thesis,CEBELCOR Publication F 21,Bruxelles,1945.2 杨武.电位-pH 平衡图的习惯表达方法J.腐蚀与防护,1999,20(2):90.3 马旻锐,曾英,周梅.金属电势-pH 图的研究及应用J.广东微量元素科学,2008,15(11):7-12.4 戴厚晨,于先进.Au(Ag)-CN-H2O 系电位-pH 图的实验研究J.有色矿冶,1998(1):30.5 陈小文,白新德,薛祥义,等.电位-pH 平衡图及其在核材料腐蚀研究中的应用J.清华大学学报(自然科学版),2002,42(5):92.6 努丽燕娜,王保峰.实验点化学M.北京:化学工业出版社,2007:137.7 Linksonpb,Phillipsbd,Rowlescd.Computer methods for the gen-eration of Eh-pH diagramsJ.Minerals Science and Engineer-ing,1979,11(2):65.8 刘展鹏,易兵.物理化学实验M.湘潭:湘潭大学出版社,2009.9 王女,赵勇,刘兆阅,等.理论教学与实践教学互相渗透的物理化学教学模式探讨J.大学化学,2020,35(3):26-31.10 LSucha,S Kotrly.Solution equilibria in analytical chemistryM.Van Nostrand Reinhold,London,1972.11 曹锡章,宋天佑,王杏乔,等.无机化学M.北京:高等教育出版社,1977.12 武汉大学,吉林大学.无机化学(下册)M.北京:高等教育出版社,1994.13 任飞,宫葵,夏鸣.普通化学M.北京:清华大学出版社,2014.14 华南平,王苹.大学化学实验电势-pH 曲线测定探讨J.大学化学,2007,22(1):54-58.15 朱清时.配位化学M.北京:科学出版社,2012.31