重組竹柱軸心受壓試驗探究范文

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《施工技術雜志》2015年第S1期

［摘要］

重組竹是一種將竹材重新組織并加以強化成型的竹質復合材料，介紹了4根由重組竹制作的方形截面柱的軸心受壓試驗研究，通過數據分析及理論計算，初步探明了方形截面重組竹柱在受壓時的承載能力及破壞形態，結果表明其破壞是桿件喪失整體穩定性所致，并沒有出現強度破壞;試驗所得的壓桿穩定承載力與理論計算的臨界荷載接近，為重組竹柱應用于建筑結構提供了可靠的參考價值。

［關鍵詞］

特種結構;重組竹柱;軸心受壓;試驗;研究

由于重組竹保留了竹材的優點，改善了竹材如竹節處抗拉強度低等缺陷，近幾年逐漸被應用于建筑結構中。目前對重組竹的研究大多集中在其加工和基本力學性能方面，關于重組竹作為建筑結構柱的研究還比較少。目前國內還沒有重組竹結構相關設計規范，重組竹柱可以設計為軸心受壓構件，但實際工程中的柱都不可避免地存在初彎曲、初偏心等缺陷，因此有必要開展一些重組竹柱軸心受壓試驗的研究。通過本文的試驗研究和理論分析，希望得到重組竹柱受壓時的破壞形態和穩定承載力，說明重組竹可以作為結構柱使用。

1試驗研究

1.1試件設計和制作本次試驗設計了4根重組竹柱，試件的加工采用同一批材料，重組竹的物理特性和力學性能為:含水率8.9%，密度1.1kg/m3，彈性模量6989.4MPa，順紋抗壓強度80MPa。在計算中不考慮膠黏劑的老化和在使用中帶來的松弛性，并且采用同樣的施工工藝進行加工，柱的截面尺寸為75mm×75mm，高度均為1300mm，長細比λ=60，分別記作柱1、柱2、柱3、柱4。同時制作試件時將試件的兩個端面磨平，使兩端端面盡量與試件軸線垂直，從而盡量減少由于加工制造而造成加載時的初偏心。

1.2試驗裝置及試驗方案本次試驗采用200t長柱試驗機進行靜力加載，在試件的上下兩端安裝刀鉸，刀鉸的安裝保證試件截面在平行于刀鉸的軸線上轉動;刀鉸要保證接觸面盡量小，保證轉動靈敏，盡量減少約束。同時將刀鉸的上下表面也加工成正方形，并設置對準用的十字形標線，頂和柱底的刀鉸放置方向應保證在任何方向柱的計算長度不變。圖1為刀鉸示意。為測定試件的應變值，在柱的中央截面的4個側面沿豎向和橫向粘貼標距為50mm的電阻應變片各1對，應變片采用BX120-50AA，電阻為(119.8±0.1)Ω，柵長×柵寬:50mm×3mm，靈敏度為(2.08±1)%;為測量試件的側向撓度，沿柱高度方向在垂直于刀鉸2個面上分別裝5個百分表;為測量柱長度方向的總壓縮變形，在靠近試件的頂部平行于刀鉸的面上用膠水粘貼1個木塊，用百分表抵住木塊。圖2為試驗裝置及測點布置示意。

1.3試驗步驟和過程試驗采用單調加載靜力試驗，在正式加載前，對安裝好的試驗柱進行預加壓，使其進入正常工作狀態，使變形和荷載的關系趨于穩定。此次試驗初始荷載值設定為10kN，同時檢查試驗裝置是否可靠和所用測量儀表的工作是否正常，然后從初始荷載加載到第1級加載完成(荷載F1)，再卸載至初始荷載，反復進行4次，F1值取為20kN;隨即以勻度連續逐級加載，每級荷載為△F，但考慮到重組竹柱的承載力比木柱的承載力高，為較為詳細地記錄試驗過程中的相關參數，起始荷載分級較大，而在接近極限荷載時，采用較小分級，以便獲得最接近其穩定臨界荷載的試驗值，每級加載的數值為:F=10～40kN時，△F=10kN;F＞40kN時;△F=5kN。每次加載至設定加載級別時，穩定2min后記錄應變及撓度值;并觀測刀鉸支座的轉對情況。

1.4數據記錄在整個加載過程中進行物理對中，為保證物理對中的效果，在刀鉸的上下底板上將柱安裝的精確位置用鉛筆做標記，以方便物理對中和柱位置的控制;同時利用磁力吊錘控制柱的垂直度，并利用吊錘檢查上下對中的效果，如出現偏差，及時進行修正，校正好后，柱的兩邊用長木條支撐在壓力機兩邊柱上，使柱保持在安裝位置，然后施加10kN荷載，穩定柱，然后將測量撓度用百分表按照柱上刻畫的位置安裝到位，并調零，可認為此時構件為軸心受壓，然后按照試驗設計要求逐級加載。當加載出現荷載不再繼續上升而呈現下降趨勢，構件的變形卻在不斷繼續發展時，便可確定該構件已處于失穩狀態，以此時的荷載作為試件的極限荷載;與極限荷載對應的應變作為構件失穩時的極限應變，對應的撓度作為構件的極限變形。

2試驗結果及分析

2.1重組竹的破壞形態從試驗過程來看，初始加載時，構件的應變值和撓度變化隨荷載的增加而增大，當荷載達到某一數值且保持不變時，應變和撓度都出現不斷增加，此時百分表的表針不停轉動。當施加的荷載全部卸載后，試件在試驗過程中所產生的彎曲變形基本得到恢復，殘余變形量很少，基本可以忽略，初步可以斷定，重組竹柱的整體失穩是在彈性范圍內的彎曲屈曲。正方形截面重組竹柱在承受軸心壓力后，同時存在軸向變形和彎曲變形，說明試件符合實際軸心壓桿的特性，存在初始彎曲和初始偏心;當彎曲變形達到一定程度時，出現荷載不增加而變形不斷增加但沒有發生強度破壞的現象，基本符合實際軸心壓桿的整體失穩現象，因此其破壞形態認定為彎曲屈曲型整體失穩。

2.2重組竹的總體壓縮變形和側向撓度柱的總體壓縮變形最大為2.19mm，最小為0.74mm，可以看出柱最終失穩時的總體壓縮變形很小。不同荷載下柱的側向撓度如圖3所示，從圖3可以看出，當荷載為10kN時，重組竹柱中央已偏離軸線位置產生微量彎曲變形，使壓桿在外加壓力作用下除發生軸向壓縮變形外，還附加了彎曲變形，由于試驗狀態下的柱存在初彎曲和初偏心，故試驗初期出現彎曲為正常現象。同時可以發現在重組竹柱中點位置處側向撓度最大，隨著荷載的增加撓度不斷增加，在所有4根柱中，整體失穩前最大側向撓度為7.36mm，最小僅為4.70mm。

2.3荷載-應變曲線試驗測得4根柱跨中截面的4個側面沿構件豎向和橫向的應變數值，圖4所示關系曲線是各柱彎曲受拉一側上的拉應變和壓應變隨荷載變化的情況。從試驗數據可以看出，重組竹柱在加載初期，荷載與應變基本保持線性關系。由于試件并非理想的軸心壓桿，因此隨著荷載不斷加大，試件兩側拉、壓應力不斷加大，處于彎曲平衡狀態，符合實際軸心壓桿特征。

2.4試驗承載力與理論計算比較實際測得的柱截面尺寸和長度如表2所示，重組竹柱失穩破壞時的臨界荷載采用材料力學計算公式:按木結構規范計算軸心壓力設計值(見表2)。由表1，2可以看出，除柱4以外其余柱的試驗承載力均小于按照理想軸心壓桿計算的理論臨界荷載，也符合實際軸心壓桿的受力情況。同時發現，因為木結構規范中所計算的是理想軸心壓桿，而重組竹屬于非均質材料，性能不同于木材，順紋抗壓強度大，故按照木結構規范中公式計算的軸心壓力設計值較大，與試驗值相差較遠，因此實際工程設計時不宜采用木結構規范計算公式。

3結語

根據試驗過程中出現的現象，可以判定重組竹柱軸心受壓時的破壞形態為彎曲屈曲型整體失穩。重組竹柱產生的整體失穩是在彈性范圍內的彎曲屈曲，說明重組竹材料彈性較好，穩定承載力計算可適用材料力學基本公式。作者最后提出幾點建議如下:①工程中梁柱節點盡量按照鉸接處理，使柱盡可能接近軸心受壓狀態;②為提高柱的抗彎能力，提高穩定極限承載力，當柱2個主軸方向柱距不同時可以采用矩形截面柱;③實際工程設計時軸心壓桿承載力可參考歐拉臨界力計算公式，不宜采用木結構規范計算公式;④為提高柱的長細比，同時也不增加用材，可選用箱形截面或工字形截面柱。

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作者：張蘇俊 趙志高 張文娟 石亞勇 單位：南京林業大學材料科學與工程學院 揚州工業職業技術學院建筑工程學院