毛竹主要力学性能的测量与研究

安亚东 刘小妹

上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 上海 201620

1 引言

力学性质是竹材基本的材性指标,也是衡量竹材质量的重要指标,深入了解竹材的力学性能,才能充分发挥竹材的价值[1]。竹材料纤维比较细致,轻质高强,弹性也比较好,是力学性能非常好的工程结构材料,用竹材代替钢筋,弹性比较好,拉力比较高,容易加工和价格比较低廉,用竹子代替铜筋混凝土结构,可以充分利用材料资源,很好实现节约钢村[2]。竹材可以很好提高建筑强度,对于混凝土有给出很高约束作用,同时,竹结构及其配套部件易于定型化、标准化,实现构件的工厂预制和现场装配化施工。用竹子做建筑材料要比砖石、混凝士、铜材等更加环保,其作为低碳环保建筑材料的巨大价值不断被挖掘出来,大跨度框架结构以及各类墙体板材的开发与实践是整体性可持续房屋体系改革的积极示范。由此看来,竹材的力学性质对于提高竹材的利用效率具有重要意义[3-7],研究竹材料的力学性能对确保使用的安全性也十分重要。

2 实验设备和材料

根据GB/T 15780-1995[8],本实验试样为6组长方体试件,为不改变竹材的力学性能,均通过毛竹直接切割制成。其尺寸为：50mm×10mm×5mm,在万能材料试验机上进行实验。

测定材料弹性模量E时一般采用比例极限内的压缩实验[9],其荷载与变形关系为：

ΔL= ΔFL/EA

其中,ΔF为荷载增量；L为试件尺寸；A为试件横截面面积。已知荷载增量ΔF及试件尺寸L,只要测得试件伸长ΔL,可得出弹性模量E,实验测得试件载荷与轴向应变关系如表图1所示,通过Matlab软件,将荷载与轴向应变的关系拟合成一条直线得出直线的斜率,如图四所示,即可求出ΔF/Δε的值。根据JP/T199-2007[10]中关于竹材顺纹抗拉弹性模量测定的规定,得到的各组弹性模量的均值为10.48GPa。

图1 荷载与轴向应变关系

材料在受拉伸时,不仅沿纵向发生纵向变形,在横向也会同时发生短缩的横向变形。由材料力学知[12],在弹性变形范围内,横向变形Δεy和纵向变形Δεx成正比关系,这一比值称为材料的泊松比,一般以μ表示,即

μ=|Δεy/Δεx|

为测出试件的泊松比,除了测量试件在拉力作用下的纵向应变外,也需测量试件的横向应变。对应的纵向应变和横向应变的关系如图2所示。通过Matlab软件,将横向应变与轴向应变的关系拟合成一条直线,得出直线的斜率,即求出泊松比μ的值,其值为0.286。

图2 横向应变和纵向应变的关系图

通过万能材料试验机可得到竹子承受的最大载荷,然后根据公式抗压强度=试件破坏载荷/试件承受面积[13]。测量竹材顺纹抗压强度的试样尺寸为50mm X10mm X5mm,将试样放在试验机支座的中心,按每分钟1000N/mm2均匀速度加荷,直至试样破坏。

在加载初期试样没有明显变化,载荷继续增加,竹片靠近竹黄一侧发生细微弯曲 ,并随荷载的增大而增大,竹片的顺纹抗压破坏主要出现在试样端部,扭曲也发生在靠近端的一侧,随着荷载的增加,竹黄部位出现弯曲变形,导致竹青部位纤维撕裂,如图3所示。实验结束后,提取各个实验在整个实验过程中实验应力和实验数据,分别绘制各个试件的位移-载荷曲线。如图4所示,测得毛竹的抗压强度是96.21MPa。

图3 试件断裂

图4 毛竹压缩试件位移载荷图像

3 结论

通过实验,可得出以下结论：毛竹的弹性模量是E=10.48 GPa,泊松比是0.286,毛竹的抗压强度是96.21MPa。通过观察发现,最终破坏形态是受压截面整体向竹黄倾斜,靠近竹黄一侧的竹材被压缩的程度较靠近竹青一侧的竹材压缩程度大。这主要是因为截面维管束分布不均匀,靠近竹黄处维管束稀疏,承载能力弱,容易被压溃.在径向上,从竹青至竹黄,维管束呈明显的阶梯状依次由密变疏。