何春保 张兆劲 冯锦垚

(华南农业大学水利与土木工程学院，广州510642)

大学生创新能力的培养是全面提高人才培养能力的重要内容，加快实践环节改革，提升学生实践能力的培养是继续深化本科教学改革，全面提高教学质量的重要途径[1]。大学生结构设计竞赛是影响最广，参赛学生最多的土木工程专业竞赛活动。其宗旨是培养大学生的创新意识、团队交流合作精神和工程实践能力[2-3]。全国大学生结构设计竞赛从2005 年以来已经连续举办了13 届，所采用的材料逐渐从纸[4-5]、蜡线和白胶、木等转为竹皮和502 胶(表1)[6]。竹皮是受力性能非常好的生物质材料，有着良好的抗拉性能和抗压性能。随着我国经济建设的飞速发展，人才的创新能力和实践能力越来越受到社会和企业的重视，为了加快实践教学改革和增强学生创新实践能力[7-9]，华南农业大学土木工程专业从2005 年开始每年开展桥梁结构设计竞赛，从2012 年开始在人才培养方案中专门设立创新创业学分，并独立开设土木工程结构实验课。目的在于通过专业竞赛和实验课使得学生将理论与实践相结合，在竞赛中培养结构选型和优化分析能力，在实验中掌握不同材料和结构型式的力学特点，并培养学生查阅文献、综合分析和表达、团队协作等方面的能力。近年来，实验示范中心教学团队结合学生结构设计专业竞赛，组建了结构工作室学生社团，将实验教学、课外科技竞赛、学生科技创新融合一体，有效地提升了学生对专业知识的掌握和实践应用能力，增强了学生科技创新能力。

表1 历届全国结构设计竞赛材料和模型型式

1 创新性实验目的

(1)通过实验方案的制定和实施，使得学生掌握工程材料实验的设计和实验实施方法，掌握对万能材料实验机的操作使用。

(2) 通过竹皮的抗拉、构件的抗压和抗弯实验，掌握不同尺寸竹皮以及胶水和竹皮复合体的力学性能变化特点，增强学生对实验数据的分析能力。

(3)通过研究不同构件尺寸变化对实验结果的影响，让学生学会使用胡克定律、欧拉公式等基本力学原理分析实验现象，掌握结构选型和综合设计能力，培养创新意识，有利于学生将力学理论知识与工程实际相结合，增强工程实践能力。

2 实验材料和仪器

实验材料采用大学生结构设计大赛通常采用的本色侧压双层复压竹皮材料和502 胶水，竹皮厚度分别为0.20 mm，0.35 mm，0.50 mm。试件的制作均按竹皮的纹路进行切割，杆件采用502 胶粘结。竹材参考力学指标：密度为0.8 g/cm3，顺纹抗拉强度为60 MPa，抗压强度为30 MPa，弹性模量为6 GPa。

抗拉和抗压实验采用WD-30KD 电子式万能实验机，最大负荷30 kN，准确度等级为1 级。抗弯试验采用KZJ-500 型电动抗折试验机，最大负荷5 kN，精度1%。

3 实验设计及分析

根据结构竞赛中竹皮模型的受力特点，采用竹条制作受拉构件，受压构件和受弯构件则采用竹皮制作的杆件，用胶水作为竹皮的粘结材料。实验分为竹皮的抗拉实验、构件的抗压实验、构件的抗弯实验、胶水与竹皮复合强度实验四个内容。加载实验如图1 所示。

3.1 竹皮抗拉实验

抗拉实验选用的竹皮尺寸参数如表2 所示，共分两组，第一组研究不同厚度竹皮的抗拉性能，第二组研究不同长度情况下的竹皮抗拉性能。实验结果如图2 和图3 所示。

图1 实验情况

表2 抗拉实验设计

图2 不同截面和长度竹皮的拉力值

图3 不同长度竹皮的拉力值

图2 中，0.20 mm，0.35 mm，0.50 mm 厚度的抗拉极限载荷平均值分别为45.68 N，131.7 N，287.4 N，厚度从0.20 mm 到0.35 mm 以及厚度从0.35 mm到 0.50 mm 的竹皮抗拉极限载荷值增幅分别为189.2%和124.1%，此时竹皮面积分别增长75% 和53.7%，表明抗拉极限载荷增长比例大于竹皮面积增长比例，即厚竹皮抗拉荷重比性能更好。而图3 的抗拉实验表明竹皮的抗拉强度与试件长度关系不大。

3.2 构件的抗压实验

为了模拟竞赛制作杆件，抗压实验分两组，第1组为竹皮厚度0.2∼0.5 mm、截面边长为1 cm×1 cm的单层空心杆件，尺寸参数和抗压极限承载力实验结果如表3 所示。第2 组竹皮厚度0.5 mm，截面边长为1 cm×1 cm 的单层/双层方型空心杆件，尺寸参数和抗压极限承载力实验结果如表4 所示。

表3 的抗压实验结果表明，对0.2 mm，0.35 mm，0.5 mm 三种厚度竹皮杆件，长度从 10 cm 增加到 15 cm 时，抗压极限承载力的降幅分别为50.3%，33.2%，32.8%。表明杆件越长抗压极限承载力越小。竹皮厚度从0.2 mm，0.35 mm 到0.5 mm，杆件面积增幅分别为72.3%和40.6%。(1) 杆件长度为10 cm 时，抗压极限承载力的增幅为170.2%和194.0%；(2) 杆件长度为15 cm 时，抗压极限承载力的增幅为263.2%和195.9%，可见采用厚竹皮增加杆件面积更能提高杆件极限抗压承载力。如果假定两端简支，取弹性模量E=6 GPa，按照欧拉公式计算得到的失稳承载力如表3 所示，可见实验构件主要表现为短柱受压破坏。实验表明竹皮越薄则承受的压应力越低，主要是薄壁竹皮杆件更容易出现局部屈曲。

表3 不同厚度、长度的杆件抗压实验

表4 的抗压实验结果表明，杆件截面中心固定的抗压极限承载力比没有中心固定增大了64.29%；双层竹皮杆件抗压值比中心不固定的单层十字竹皮杆件高60.71%，但略低于中点处固定单层杆件，而其自重比中心固定的单层十字竹皮杆件高47.0%。可见从荷重比来看，采用中点固定单层杆件最为有效。

表4 不同截面型式抗压构件实验

3.3 构件的抗弯实验

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，抗弯实验结果如表5 所示。

抗弯实验表明弯曲破坏发生在杆件受压区，竹皮厚度增加能有效地增加杆件的抗弯性承载力，当杆件的竹皮厚度从0.35 mm 增加到0.5 mm，抗弯荷重比增加168%，而采用双层0.2 mm 竹皮和502 胶，抗弯荷重比比0.5 mm 厚的杆件增加248%，可见竹皮与胶水形成复合结构后能明显增强抗弯能力。

按照三点弯曲实验正应力计算公式：σ=M ·y/Iz，其中，M=FL/4，F为载荷，L为间距。计算得到极限载荷对应的最大正应力(受压破坏) 如表5所示，实验数据表明胶水滴注可以提高竹皮的抗压强度。

表5 抗弯实验结果

3.4 胶水与竹皮的复合强度实验

由于节点连接和杆件制作需要502粘结，502 胶水的使用会改变竹皮结构强度，选取 0.2 mm，0.35 mm 和双层0.2 mm，在竹皮表面滴注满胶水，并与未滴注胶水的情况进行抗拉强度对比，实验参数和结果如表6 所示。

表6 表明，在竹皮表面滴注胶水会增加其抗拉强度，0.2 mm，0.35 mm 和双层0.2 mm 竹皮的抗拉强度分别增加了42%，24.6%，14.8%，均大于滴注胶水构件重量增加量，越薄的竹皮增加比例越大。因此在制作受拉杆件模型时，可考虑滴注胶水增加竹皮强度来提高承载力。

表6 胶水对竹皮抗拉强度的影响

3.5 竹皮拉、压实验位移曲线

0.2 mm 厚，10 mm 宽，10 cm 长的竹皮受拉载荷−位移曲线如图4 所示。0.2 mm 厚，截面10 mm×10 mm，长10 cm 的竹皮方柱受压载荷−位移曲线如图5 所示。

图4 受拉载荷−位移曲线

图5 受压载荷−位移曲线

图4 表明受拉载荷与位移几乎呈线性关系，即竹皮作为受拉构件主要表现为弹性状态。图5 表明竹皮方柱截面受压载荷位移曲线非线性特性明显，当受压载荷超过受压临界载荷后位移增长迅速，而承载力显著降低。

4 结论

本创新实验项目结合大学生结构设计竞赛和土木工程材料实验等土木工程专业教学实践环节，系统地设计了竹皮及其杆件结构的抗压、抗拉和抗弯实验等。实验表明：

(1)厚竹皮抗拉荷重比性能较好，竹皮的抗拉强度与试件长度关系不大。

(2)实验竹皮杆件表现为短柱受压破坏，杆件越长抗压极限承载力越小，越厚的竹皮杆件抗压荷重比越好。

(3)厚竹皮抗弯荷重比承载力较好，胶水滴注可以提高竹皮的抗压强度。

(4)抗拉实验表明胶水滴注对越薄的竹皮荷重比增加比例越大。

(5)竹皮受拉主要表现为弹性状态，而竹皮方柱受压非线性特性明显。

通过本实验项目的开展，提高了学生查阅文献资料、进行实验方案的制定和实施能力，有助于学生掌握不同尺寸竹皮的力学性能变化特点，增强学生利用基本力学原理对实验数据进行分析的能力，提高工程结构选型和综合设计能力以及团队协作能力。结合竞赛整体模型试验和有限元软件数值分析的应用，提高了学生应对结构设计竞赛的能力，2018 —2019 年获得广东省赛区1 项二等奖和4 项三等奖，创新性实验项目的开展有利于培养学生将力学理论知识与工程实际相联系，增强工程实践能力和创新能力。