何春保 張兆勁 馮錦垚

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州510642)

大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是全面提高人才培養(yǎng)能力的重要內(nèi)容，加快實踐環(huán)節(jié)改革，提升學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)是繼續(xù)深化本科教學(xué)改革，全面提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[1]。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是影響最廣，參賽學(xué)生最多的土木工程專業(yè)競賽活動。其宗旨是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、團隊交流合作精神和工程實踐能力[2-3]。全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽從2005 年以來已經(jīng)連續(xù)舉辦了13 屆，所采用的材料逐漸從紙[4-5]、蠟線和白膠、木等轉(zhuǎn)為竹皮和502 膠(表1)[6]。竹皮是受力性能非常好的生物質(zhì)材料，有著良好的抗拉性能和抗壓性能。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，人才的創(chuàng)新能力和實踐能力越來越受到社會和企業(yè)的重視，為了加快實踐教學(xué)改革和增強學(xué)生創(chuàng)新實踐能力[7-9]，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)從2005 年開始每年開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，從2012 年開始在人才培養(yǎng)方案中專門設(shè)立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分，并獨立開設(shè)土木工程結(jié)構(gòu)實驗課。目的在于通過專業(yè)競賽和實驗課使得學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，在競賽中培養(yǎng)結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化分析能力，在實驗中掌握不同材料和結(jié)構(gòu)型式的力學(xué)特點，并培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻、綜合分析和表達、團隊協(xié)作等方面的能力。近年來，實驗示范中心教學(xué)團隊結(jié)合學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)競賽，組建了結(jié)構(gòu)工作室學(xué)生社團，將實驗教學(xué)、課外科技競賽、學(xué)生科技創(chuàng)新融合一體，有效地提升了學(xué)生對專業(yè)知識的掌握和實踐應(yīng)用能力，增強了學(xué)生科技創(chuàng)新能力。

表1 歷屆全國結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽材料和模型型式

1 創(chuàng)新性實驗?zāi)康?/h2>

(1)通過實驗方案的制定和實施，使得學(xué)生掌握工程材料實驗的設(shè)計和實驗實施方法，掌握對萬能材料實驗機的操作使用。

(2) 通過竹皮的抗拉、構(gòu)件的抗壓和抗彎實驗，掌握不同尺寸竹皮以及膠水和竹皮復(fù)合體的力學(xué)性能變化特點，增強學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析能力。

(3)通過研究不同構(gòu)件尺寸變化對實驗結(jié)果的影響，讓學(xué)生學(xué)會使用胡克定律、歐拉公式等基本力學(xué)原理分析實驗現(xiàn)象，掌握結(jié)構(gòu)選型和綜合設(shè)計能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，有利于學(xué)生將力學(xué)理論知識與工程實際相結(jié)合，增強工程實踐能力。

2 實驗材料和儀器

實驗材料采用大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽通常采用的本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮材料和502 膠水，竹皮厚度分別為0.20 mm，0.35 mm，0.50 mm。試件的制作均按竹皮的紋路進行切割，桿件采用502 膠粘結(jié)。竹材參考力學(xué)指標：密度為0.8 g/cm3，順紋抗拉強度為60 MPa，抗壓強度為30 MPa，彈性模量為6 GPa。

抗拉和抗壓實驗采用WD-30KD 電子式萬能實驗機，最大負荷30 kN，準確度等級為1 級?？箯澰囼灢捎肒ZJ-500 型電動抗折試驗機，最大負荷5 kN，精度1%。

3 實驗設(shè)計及分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)競賽中竹皮模型的受力特點，采用竹條制作受拉構(gòu)件，受壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件則采用竹皮制作的桿件，用膠水作為竹皮的粘結(jié)材料。實驗分為竹皮的抗拉實驗、構(gòu)件的抗壓實驗、構(gòu)件的抗彎實驗、膠水與竹皮復(fù)合強度實驗四個內(nèi)容。加載實驗如圖1 所示。

3.1 竹皮抗拉實驗

抗拉實驗選用的竹皮尺寸參數(shù)如表2 所示，共分兩組，第一組研究不同厚度竹皮的抗拉性能，第二組研究不同長度情況下的竹皮抗拉性能。實驗結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖1 實驗情況

表2 抗拉實驗設(shè)計

圖2 不同截面和長度竹皮的拉力值

圖3 不同長度竹皮的拉力值

圖2 中，0.20 mm，0.35 mm，0.50 mm 厚度的抗拉極限載荷平均值分別為45.68 N，131.7 N，287.4 N，厚度從0.20 mm 到0.35 mm 以及厚度從0.35 mm到 0.50 mm 的竹皮抗拉極限載荷值增幅分別為189.2%和124.1%，此時竹皮面積分別增長75% 和53.7%，表明抗拉極限載荷增長比例大于竹皮面積增長比例，即厚竹皮抗拉荷重比性能更好。而圖3 的抗拉實驗表明竹皮的抗拉強度與試件長度關(guān)系不大。

3.2 構(gòu)件的抗壓實驗

為了模擬競賽制作桿件，抗壓實驗分兩組，第1組為竹皮厚度0.2～0.5 mm、截面邊長為1 cm×1 cm的單層空心桿件，尺寸參數(shù)和抗壓極限承載力實驗結(jié)果如表3 所示。第2 組竹皮厚度0.5 mm，截面邊長為1 cm×1 cm 的單層/雙層方型空心桿件，尺寸參數(shù)和抗壓極限承載力實驗結(jié)果如表4 所示。

表3 的抗壓實驗結(jié)果表明，對0.2 mm，0.35 mm，0.5 mm 三種厚度竹皮桿件，長度從 10 cm 增加到 15 cm 時，抗壓極限承載力的降幅分別為50.3%，33.2%，32.8%。表明桿件越長抗壓極限承載力越小。竹皮厚度從0.2 mm，0.35 mm 到0.5 mm，桿件面積增幅分別為72.3%和40.6%。(1) 桿件長度為10 cm 時，抗壓極限承載力的增幅為170.2%和194.0%；(2) 桿件長度為15 cm 時，抗壓極限承載力的增幅為263.2%和195.9%，可見采用厚竹皮增加桿件面積更能提高桿件極限抗壓承載力。如果假定兩端簡支，取彈性模量E=6 GPa，按照歐拉公式計算得到的失穩(wěn)承載力如表3 所示，可見實驗構(gòu)件主要表現(xiàn)為短柱受壓破壞。實驗表明竹皮越薄則承受的壓應(yīng)力越低，主要是薄壁竹皮桿件更容易出現(xiàn)局部屈曲。

表3 不同厚度、長度的桿件抗壓實驗

表4 的抗壓實驗結(jié)果表明，桿件截面中心固定的抗壓極限承載力比沒有中心固定增大了64.29%；雙層竹皮桿件抗壓值比中心不固定的單層十字竹皮桿件高60.71%，但略低于中點處固定單層桿件，而其自重比中心固定的單層十字竹皮桿件高47.0%?？梢姀暮芍乇葋砜?，采用中點固定單層桿件最為有效。

表4 不同截面型式抗壓構(gòu)件實驗

3.3 構(gòu)件的抗彎實驗

采用表5 所示的不同厚度的竹皮制作8 mm×5 mm 矩形空心截面，抗彎實驗結(jié)果如表5 所示。

抗彎實驗表明彎曲破壞發(fā)生在桿件受壓區(qū)，竹皮厚度增加能有效地增加桿件的抗彎性承載力，當(dāng)桿件的竹皮厚度從0.35 mm 增加到0.5 mm，抗彎荷重比增加168%，而采用雙層0.2 mm 竹皮和502 膠，抗彎荷重比比0.5 mm 厚的桿件增加248%，可見竹皮與膠水形成復(fù)合結(jié)構(gòu)后能明顯增強抗彎能力。

按照三點彎曲實驗正應(yīng)力計算公式：σ=M ·y/Iz，其中，M=FL/4，F(xiàn)為載荷，L為間距。計算得到極限載荷對應(yīng)的最大正應(yīng)力(受壓破壞) 如表5所示，實驗數(shù)據(jù)表明膠水滴注可以提高竹皮的抗壓強度。

表5 抗彎實驗結(jié)果

3.4 膠水與竹皮的復(fù)合強度實驗

由于節(jié)點連接和桿件制作需要502粘結(jié)，502 膠水的使用會改變竹皮結(jié)構(gòu)強度，選取 0.2 mm，0.35 mm 和雙層0.2 mm，在竹皮表面滴注滿膠水，并與未滴注膠水的情況進行抗拉強度對比，實驗參數(shù)和結(jié)果如表6 所示。

表6 表明，在竹皮表面滴注膠水會增加其抗拉強度，0.2 mm，0.35 mm 和雙層0.2 mm 竹皮的抗拉強度分別增加了42%，24.6%，14.8%，均大于滴注膠水構(gòu)件重量增加量，越薄的竹皮增加比例越大。因此在制作受拉桿件模型時，可考慮滴注膠水增加竹皮強度來提高承載力。

表6 膠水對竹皮抗拉強度的影響

3.5 竹皮拉、壓實驗位移曲線

0.2 mm 厚，10 mm 寬，10 cm 長的竹皮受拉載荷?位移曲線如圖4 所示。0.2 mm 厚，截面10 mm×10 mm，長10 cm 的竹皮方柱受壓載荷?位移曲線如圖5 所示。

圖4 受拉載荷?位移曲線

圖5 受壓載荷?位移曲線

圖4 表明受拉載荷與位移幾乎呈線性關(guān)系，即竹皮作為受拉構(gòu)件主要表現(xiàn)為彈性狀態(tài)。圖5 表明竹皮方柱截面受壓載荷位移曲線非線性特性明顯，當(dāng)受壓載荷超過受壓臨界載荷后位移增長迅速，而承載力顯著降低。

4 結(jié)論

本創(chuàng)新實驗項目結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽和土木工程材料實驗等土木工程專業(yè)教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地設(shè)計了竹皮及其桿件結(jié)構(gòu)的抗壓、抗拉和抗彎實驗等。實驗表明：

(1)厚竹皮抗拉荷重比性能較好，竹皮的抗拉強度與試件長度關(guān)系不大。

(2)實驗竹皮桿件表現(xiàn)為短柱受壓破壞，桿件越長抗壓極限承載力越小，越厚的竹皮桿件抗壓荷重比越好。

(3)厚竹皮抗彎荷重比承載力較好，膠水滴注可以提高竹皮的抗壓強度。

(4)抗拉實驗表明膠水滴注對越薄的竹皮荷重比增加比例越大。

(5)竹皮受拉主要表現(xiàn)為彈性狀態(tài)，而竹皮方柱受壓非線性特性明顯。

通過本實驗項目的開展，提高了學(xué)生查閱文獻資料、進行實驗方案的制定和實施能力，有助于學(xué)生掌握不同尺寸竹皮的力學(xué)性能變化特點，增強學(xué)生利用基本力學(xué)原理對實驗數(shù)據(jù)進行分析的能力，提高工程結(jié)構(gòu)選型和綜合設(shè)計能力以及團隊協(xié)作能力。結(jié)合競賽整體模型試驗和有限元軟件數(shù)值分析的應(yīng)用，提高了學(xué)生應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的能力，2018 —2019 年獲得廣東省賽區(qū)1 項二等獎和4 項三等獎，創(chuàng)新性實驗項目的開展有利于培養(yǎng)學(xué)生將力學(xué)理論知識與工程實際相聯(lián)系，增強工程實踐能力和創(chuàng)新能力。