2024年5月19日发(作者：冒兰蕙)
第20卷第1期
2021年03月
广东交通职业技术学院学报
JOURNALOFGUANGDONGCOMMUNICATIONPOLYTECHNIC
Vol.20No.1
March
2021
文章编号：1671-8496-(2021)-01-0076-05
大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
王永宝，秦鹏举，王健，张留鹏，张晓雷
（太原理工大学，山西太原030024）
摘要：为探讨大学生结构设计竞赛模型制作中常用单层竹皮受拉构件和竹皮空心杆的基本力学性能，用
0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮制作了108个长度为200mm的拉条，72个长度为100mm不同边长和侧棱包
角处理的单层空心杆试件，应用电子拉压试验机测试了其极限承载力，并分析了其破坏形式、荷质比和应
力。试验结果表明：0.35mm竹皮在表面涂胶后用作拉条构件，强度可达60MPa；用0.35mm和0.5mm单层
竹皮结构制作空心杆需在四角进行包角处理，但缺点是会增加质量，降低荷质比。
关键词：结构设计；力学；空心杆；竹皮；试验
中图分类号：G642.423文献标识码：A
ExperimentalStudyonMechanicalPropertiesofBasicRodsfor
StructureDesignContestforCollegeStudents
WANGYong-bao,QINPeng-ju,WANGJian,ZHANGLiu-peng,ZHANGXiao-lei
(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)
Abstract:Inordertostudythebasicmechanicalpropertiesofsingle-layerbambooskintensionmembersandhollow
bambooskinbarswhichareoftenusedinthemodelmakingofstructuralcontestforcollegestudents,108tension
memberswith200mminlengthand72single-layerhollowbarmemberswith100mminlengthweremadeby0.2
mm,imatebearingcapacityofthemwastestedbyelectronictensioncom-
lureform,tresultsshowthatthe0.35mmbam-
booskincanbeusedasabracecomponentafterbeingcoatedwithglue,andthestrengthcanreach60MPa;thehol-
lowrodmadeof0.35mmand0.5mmsingle-layerbambooskinneedstoconsiderthecornerwrappingtreatmentat
fourcorners,butthedisadvantageisthatitwillincreasethemassandreducetheloadmassratio.
Keywords:structuredesign;mechanics;hollowrod;bambooskin;test
大学生结构设计竞赛可显著提高学生的创新
思维和实践能力
[1-2]
，逐渐得到广泛关注。近年
来，大学生结构设计竞赛赛题日趋完善，逐渐形
成以竹条、竹皮和502胶水为主要材料，以竹皮
制作的空心杆和拉条为基本组成杆件
[3]
的结构模
型制作模式
[4]
。但由于材料组合形式多样
[5]
，如何
选择合适材料组合制作受拉和受压基本构件是目
前高校学子比赛中面临的难题。
常海林等用竹皮制作宽度3~8mm的受拉杆
件，测试了其抗拉性能
[6]
。贾新聪
[7]
开展了若干
3mm、5mm和7mm受拉竹皮及5mm×5mm和
7mm×7mm方形空心压杆的极限承载力研究，
表明单层竹皮受拉构件的应力为55~62MPa，空
心杆的受压应力可取30MPa，但并未从荷质比
角度进行讨论。王磊等
[8]
测试了边长为5mm和
6mm三角形和方形空心杆的极限承载力，发现
荷质比在120~160N/g之间，根据荷质比最高原则
选择了合适的截面尺寸，但并未对比应力状态
[9]
。
为进一步优化结构设计构件尺寸，本文对不
同竹皮制作的拉条和空心杆截面进行轴拉和轴压
收稿日期：2020-06-08
作者简介：王永宝，讲师，博士
研究方向：土木工程
基金项目：山西省教学改革创新项目“基于大学生结构设计大赛的学科竞赛管理体系研究”（项目编号：2020JG012）
第1期
王永宝，等：大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
77
试验研究，分析不同构件竹皮在外部荷载作用下
的破坏形态，测试构件的质量、极限承载力，探
讨荷质比和应力，为参赛学生选择合适的拉条和
空心杆提供参考。
1试验概况
1.1试件设计和试件参数
试验采用0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮共
制作了108个宽度为5~10mm受拉竹皮构件和72
个边长为5~10mm的单层箱型空心杆构件，受拉
试件长度为200mm，受压试件长度为100mm。
主要测试杆件见表1，表中试件编号分别表
示不同试件宽度（边长）W、厚度t。D表示单层
竹皮拉条，DT表示单层竹皮表面涂胶拉条；X
表示单层竹皮制作的箱型空心压杆；XT表示单
层空心压杆4个角进行包角处理。例如，
DT35-08，DT表示单层竹皮拉条表面涂胶，35表
示竹皮厚度为0.35mm，08表示空心杆的边长为
8mm。试验采用的两类杆件类型如下：①单层
0.2、0.35、0.5mm竹皮制作的拉条；②单层0.35
和0.5mm竹皮制作的空心杆。
表1试件参数
试件类型编号压杆类型
W
/mm
t
/mm
D2-05(~10)单层0.25~100.2
D35-05(~10)单层0.355~100.35
拉条
D5-05(~10)单层0.55~100.5
DT2-05(~10)单层0.2-涂5~100.2
DT35-05(~10)单层0.35-涂5~100.35
DT5-05(~10)单层0.5-涂5~100.5
XT35-05(~10)单层0.35-包5~100.35
压杆
XT5-05(~10)单层0.5-包5~100.5
X35-05(~10)单层0.355~100.35
X5-05(~10)单层0.55~100.5
1.2材料特性和试件制作
试验竹皮尽量选用材质均匀，竹节少的材
料。受拉竹皮材料制作较为简单，用铅笔画线后
直接用刀分割即可。受压空心杆结构，需根据尺
寸画线后，在竹片上用刀背刻痕，然后再折成空
心杆件，用502胶水滴至棱角处
[4，9]
对棱角进行胶
水钢化处理。图1为制作的拉条和空心杆。
由于受拉竹皮本身有一定缺陷，在已裁剪的
受拉竹皮表面涂一层502胶水，能提高竹皮纤维
的密实度，有利于提高结构抗拉强度，但会降低
构件的抗折强度，若竹皮结构两侧受力不均匀，
则容易发生折断破坏。单层竹皮空心杆结构的棱
角容易发生断裂破坏，因此将厚为0.2mm，宽为
6mm的竹皮包在空心杆的4个棱角处，通过502
胶水黏结。同一类型的受压杆和受拉竹皮分别制
作3个相同构件，试验结果为测试结果的平均值。
1.3试验装置和加载制度
试验装置采用济南川佰试验仪器有限公司生
产的电子拉压试验机，该试验机可进行拉伸和压
缩试验，试验最小分辨率为1N，试验拉、压行
程为80cm，试验机自行采集拉、压荷载峰值并
记录。当受拉竹皮和受压空心杆出现受拉破坏或
试件弯曲折断破坏时，加载过程自动终止并回
弹。图1为加载过程示意图。
图1试件构件及加载过程示意图
2试验结果及分析
2.1试件破坏形态
试验结果表明，受拉构件破坏形态分为两
类：中间有斜度破坏
[7]
和两端斜截面破坏，破坏
形式如图2所示。破坏形态统计结果见表2，
75%的构件是中间有斜度破坏，仅有少数是拉
条夹持端破坏，主要原因为受拉竹皮端部加载
受力不均匀。竹皮涂胶后，中间有斜度破坏的
比例明显提升，证明涂胶能改善薄弱环节
[7]
，增
大抗拉、压承载力。
受压空心杆的破坏形态分为三类：①端部局
部破坏；②弯曲失稳屈曲；③侧棱黏结开裂破坏。
表3为构件的破坏数据统计结果。由表3可知，单
层竹皮空心杆构件以端部局部破坏为主，占总破坏
形式的61%，说明侧棱滴胶能改变构件破坏形态。
78
广东交通职业技术学院学报第20卷
表2受拉竹皮破坏形态杆件数目统计分析
杆件类型杆端破坏/个中部破坏/个
单层0.269
单层0.2涂315
单层0.35018
单层0.35涂612
单层0.5126
单层0.5涂018
合计2778
表3受压杆件破坏形态杆件数目统计分析
杆件类型杆端破坏/个中部破坏/个侧棱开裂/个
箱-单层0.351251
箱-单层0.35包角1260
箱-单层0.51080
箱-单层0.5包角1080
合计44271
(a)中间破坏(b)端部破坏
图2受拉竹皮破坏形态
(a)端部破坏(b)弯折破坏
(c)开裂破坏
图3受压空性杆破坏形态
2.2构件质量实验结果及分析
图4为受拉竹皮和受压杆件质量随宽度（边
长）的变化曲线。由图4可知，其中，单层0.2mm
竹皮拉条的质量在0.1~0.2g之间；单层0.2mm竹
皮拉条胶水强化后，质量提升一倍，在0.2~0.4g
之间。0.35mm拉条质量与胶水强化后的0.2mm
拉条相差不大，在0.2~0.4g之间；0.35mm拉条质
量进行胶水强化后，质量最大可达0.6g。0.5mm
竹皮结构当宽度为9mm时，质量可达0.6g，与
0.35mm胶水强化结构相似。
单层竹皮空心杆构件中，0.5mm+包角构件
质量最高，边长7mm的质量在2.0~3.2g之间。
0.35mm+包角质量大于0.5mm单层构件，质量
在1.0~2.0g之间。
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压构件
图4构件质量随边长变化关系
3极限荷载结果
图5为受拉和受压杆件的极限承载力随宽度
变化曲线。由图5a可知，0.5mm+胶水
强化构件极限承载力较高，0.35mm+胶水强化
构件的承载力次之。胶水强化对0.35mm和
0.5mm竹皮的抗拉承载力影响较大，而对0.2mm
构件影响较小。主要原因是0.2mm竹皮的局部
缺陷较其他两类竹皮多，少量胶水不足以填补
相应缺陷。因此，0.35mm和0.5mm胶水强化
受拉构件是竹皮受拉构件的优选结构。
由图5b可知，0.5mm+包角的空心杆极限承
载力较高，其次是0.35mm+包角构件，承载力最
低的是0.35mm空心杆结构。而0.35mm+包角结
构与0.5mm空心杆的强度相差不大，但前者的
质量较后者高。
（边长）
第1期
王永宝，等：大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
79
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压空心杆
图5构件承载力随边长变化关系
4荷质比结果
图6为受拉和受压构件的极限荷载与质量之
比（荷质比）随宽度（边长）变化曲线。由图6
可知，对受拉构件，在竹皮上增加胶水能显著减
小其荷质比的离散波动性，且荷质比随边长的增
加没有明显的规律，宽度需根据受拉杆件实际受
力大小取值。0.5mm+胶水强化的竹皮受拉构件
不仅具有较高抗拉承载力（200N），也有相对较
大的荷质比（450N/g），因此较适合作为受拉竹
皮构件。0.35mm+胶水强化受拉竹皮的承载力和
荷质比与0.35mm+胶水强化受拉竹皮相差不大，
也可以作为受拉竹皮构件。另外，虽然0.2mm竹
皮质量较轻，但极限承载力较低（低于100N），
荷质比也较低（低于300N/g），因此，0.2mm
竹皮缺陷更多，更容易发生断裂破坏，不适合作
受拉构件。
对单层竹皮空心杆，荷质比随边长的增加
逐渐降低。空心杆边长小于8mm时，四类构件
的荷质比大于270N/g。整体而言，未包角构件
的荷质比较包角空心杆荷质比大，但包角构件
的应力较大。0.35mm构件和0.5mm构件的荷
质比相差不大，0.5mm构件的缺陷较小，荷质
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压空心杆
图6构件荷质比随边长变化关系
比波动性较小，较适合做空心杆构件。
5应力结果
图7为受拉竹皮和受压箱型空心杆的实测应
力值随宽度（边长）的变化曲线。由图7a可知，
在受拉竹皮上涂抹502胶水能提高构件的应力，
0.35mm竹皮拉条具有较高抗拉强度，宽度7mm
时强度达60MPa，与贾新聪
[7]
的试验结果相差不
大（单层7mm），抗拉强度能达到赛题要求（60
MPa）。受拉竹皮的抗拉强度与截面宽度关系不
大，实际竹皮宽度根据设计模型受拉力确定，
0.2mm竹皮结构的抗拉强度最小。
由图7b可知，0.35mm+包角空心构件的应
力最高，且随着边长的增加而降低，边长为7
mm和8mm抗压强度应力可达到38MPa，包角
后的抗压强度较不包角的抗压强度显著提高，
证明包角对空心杆抗压强度的提高作用明显。
0.5mm竹皮包角后，强度也显著提高，边长9
mm的抗压强度由27MPa提升为43MPa，强度
能达到赛题要求（30MPa）。因此，用单层竹皮
结构制作空心杆需要在四角进行包角处理，但
缺点是会增加质量，降低荷质比。
80
广东交通职业技术学院学报第20卷
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压空心杆
图7构件应力随边长变化关系
6结语
本文开展了不同宽度竹皮拉条以及不同边长
空心杆的承载力试验研究，分析了不同构件的质
量、极限承载力、荷质比和应力。主要结论如下：
（1）受拉竹皮荷质比随边长无明显变化规
律，可根据模型实际受力确定宽度；受拉竹皮
涂胶能提高荷质比和抗拉强度，0.35mm竹皮
拉条具有较高抗拉强度，宽度7mm时强度达
60MPa；虽然0.5mm竹皮实测强度较0.35mm
小，但荷质比与0.35mm竹皮相差不大，也可
用于受拉竹皮；0.2mm竹皮不适合受拉竹皮构
件制作。
（2）用单层竹皮结构制作空心杆需要考虑在
四角用0.2mm竹皮进行包角处理，减小受力过程
中的开裂破坏但缺点是会增加质量，降低荷质比；
0.35mm或0.5mm竹皮+包角处理的空心杆具有较
高抗压强度（大于30MPa）和荷质比（大于270
N/g），能满足一般结构设计竞赛模型杆件受力要
求。
参考文献：
[1]沈璐，高潮，王志云．第七届全国大学生结构设计竞
赛模型结构设计与分析[J]．高等建筑教育，2014，23
(4)：159-163．
[2]王永宝，杨会伟，张晋杰，等．大学生结构设计竞赛
校赛选拔制度探析[J]．高教学刊，2020(10)：78-81．
[3]刘晓红．大学生结构设计大赛的选型与设计[J]．四川
建材，2016，42(7)：26-27.
[4]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.
[5]陈吉光．结构模型设计制作与分析——以2015年吉林
省大学生结构设计大赛为例[J]．中国新技术新产品，
2016，5：89-90．
[6]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．
[7]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.
[8]王磊，付果，吴仕荣，等．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．
[9]李显，王晓梦，宋鑫，等．第七届全国大学生结构设
计竞赛作品创新特色浅析[J]．江苏建筑，2014，4：
12-15.
2024年5月19日发(作者：冒兰蕙)
第20卷第1期
2021年03月
广东交通职业技术学院学报
JOURNALOFGUANGDONGCOMMUNICATIONPOLYTECHNIC
Vol.20No.1
March
2021
文章编号：1671-8496-(2021)-01-0076-05
大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
王永宝，秦鹏举，王健，张留鹏，张晓雷
（太原理工大学，山西太原030024）
摘要：为探讨大学生结构设计竞赛模型制作中常用单层竹皮受拉构件和竹皮空心杆的基本力学性能，用
0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮制作了108个长度为200mm的拉条，72个长度为100mm不同边长和侧棱包
角处理的单层空心杆试件，应用电子拉压试验机测试了其极限承载力，并分析了其破坏形式、荷质比和应
力。试验结果表明：0.35mm竹皮在表面涂胶后用作拉条构件，强度可达60MPa；用0.35mm和0.5mm单层
竹皮结构制作空心杆需在四角进行包角处理，但缺点是会增加质量，降低荷质比。
关键词：结构设计；力学；空心杆；竹皮；试验
中图分类号：G642.423文献标识码：A
ExperimentalStudyonMechanicalPropertiesofBasicRodsfor
StructureDesignContestforCollegeStudents
WANGYong-bao,QINPeng-ju,WANGJian,ZHANGLiu-peng,ZHANGXiao-lei
(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)
Abstract:Inordertostudythebasicmechanicalpropertiesofsingle-layerbambooskintensionmembersandhollow
bambooskinbarswhichareoftenusedinthemodelmakingofstructuralcontestforcollegestudents,108tension
memberswith200mminlengthand72single-layerhollowbarmemberswith100mminlengthweremadeby0.2
mm,imatebearingcapacityofthemwastestedbyelectronictensioncom-
lureform,tresultsshowthatthe0.35mmbam-
booskincanbeusedasabracecomponentafterbeingcoatedwithglue,andthestrengthcanreach60MPa;thehol-
lowrodmadeof0.35mmand0.5mmsingle-layerbambooskinneedstoconsiderthecornerwrappingtreatmentat
fourcorners,butthedisadvantageisthatitwillincreasethemassandreducetheloadmassratio.
Keywords:structuredesign;mechanics;hollowrod;bambooskin;test
大学生结构设计竞赛可显著提高学生的创新
思维和实践能力
[1-2]
，逐渐得到广泛关注。近年
来，大学生结构设计竞赛赛题日趋完善，逐渐形
成以竹条、竹皮和502胶水为主要材料，以竹皮
制作的空心杆和拉条为基本组成杆件
[3]
的结构模
型制作模式
[4]
。但由于材料组合形式多样
[5]
，如何
选择合适材料组合制作受拉和受压基本构件是目
前高校学子比赛中面临的难题。
常海林等用竹皮制作宽度3~8mm的受拉杆
件，测试了其抗拉性能
[6]
。贾新聪
[7]
开展了若干
3mm、5mm和7mm受拉竹皮及5mm×5mm和
7mm×7mm方形空心压杆的极限承载力研究，
表明单层竹皮受拉构件的应力为55~62MPa，空
心杆的受压应力可取30MPa，但并未从荷质比
角度进行讨论。王磊等
[8]
测试了边长为5mm和
6mm三角形和方形空心杆的极限承载力，发现
荷质比在120~160N/g之间，根据荷质比最高原则
选择了合适的截面尺寸，但并未对比应力状态
[9]
。
为进一步优化结构设计构件尺寸，本文对不
同竹皮制作的拉条和空心杆截面进行轴拉和轴压
收稿日期：2020-06-08
作者简介：王永宝，讲师，博士
研究方向：土木工程
基金项目：山西省教学改革创新项目“基于大学生结构设计大赛的学科竞赛管理体系研究”（项目编号：2020JG012）
第1期
王永宝，等：大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
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试验研究，分析不同构件竹皮在外部荷载作用下
的破坏形态，测试构件的质量、极限承载力，探
讨荷质比和应力，为参赛学生选择合适的拉条和
空心杆提供参考。
1试验概况
1.1试件设计和试件参数
试验采用0.2mm、0.35mm、0.5mm竹皮共
制作了108个宽度为5~10mm受拉竹皮构件和72
个边长为5~10mm的单层箱型空心杆构件，受拉
试件长度为200mm，受压试件长度为100mm。
主要测试杆件见表1，表中试件编号分别表
示不同试件宽度（边长）W、厚度t。D表示单层
竹皮拉条，DT表示单层竹皮表面涂胶拉条；X
表示单层竹皮制作的箱型空心压杆；XT表示单
层空心压杆4个角进行包角处理。例如，
DT35-08，DT表示单层竹皮拉条表面涂胶，35表
示竹皮厚度为0.35mm，08表示空心杆的边长为
8mm。试验采用的两类杆件类型如下：①单层
0.2、0.35、0.5mm竹皮制作的拉条；②单层0.35
和0.5mm竹皮制作的空心杆。
表1试件参数
试件类型编号压杆类型
W
/mm
t
/mm
D2-05(~10)单层0.25~100.2
D35-05(~10)单层0.355~100.35
拉条
D5-05(~10)单层0.55~100.5
DT2-05(~10)单层0.2-涂5~100.2
DT35-05(~10)单层0.35-涂5~100.35
DT5-05(~10)单层0.5-涂5~100.5
XT35-05(~10)单层0.35-包5~100.35
压杆
XT5-05(~10)单层0.5-包5~100.5
X35-05(~10)单层0.355~100.35
X5-05(~10)单层0.55~100.5
1.2材料特性和试件制作
试验竹皮尽量选用材质均匀，竹节少的材
料。受拉竹皮材料制作较为简单，用铅笔画线后
直接用刀分割即可。受压空心杆结构，需根据尺
寸画线后，在竹片上用刀背刻痕，然后再折成空
心杆件，用502胶水滴至棱角处
[4，9]
对棱角进行胶
水钢化处理。图1为制作的拉条和空心杆。
由于受拉竹皮本身有一定缺陷，在已裁剪的
受拉竹皮表面涂一层502胶水，能提高竹皮纤维
的密实度，有利于提高结构抗拉强度，但会降低
构件的抗折强度，若竹皮结构两侧受力不均匀，
则容易发生折断破坏。单层竹皮空心杆结构的棱
角容易发生断裂破坏，因此将厚为0.2mm，宽为
6mm的竹皮包在空心杆的4个棱角处，通过502
胶水黏结。同一类型的受压杆和受拉竹皮分别制
作3个相同构件，试验结果为测试结果的平均值。
1.3试验装置和加载制度
试验装置采用济南川佰试验仪器有限公司生
产的电子拉压试验机，该试验机可进行拉伸和压
缩试验，试验最小分辨率为1N，试验拉、压行
程为80cm，试验机自行采集拉、压荷载峰值并
记录。当受拉竹皮和受压空心杆出现受拉破坏或
试件弯曲折断破坏时，加载过程自动终止并回
弹。图1为加载过程示意图。
图1试件构件及加载过程示意图
2试验结果及分析
2.1试件破坏形态
试验结果表明，受拉构件破坏形态分为两
类：中间有斜度破坏
[7]
和两端斜截面破坏，破坏
形式如图2所示。破坏形态统计结果见表2，
75%的构件是中间有斜度破坏，仅有少数是拉
条夹持端破坏，主要原因为受拉竹皮端部加载
受力不均匀。竹皮涂胶后，中间有斜度破坏的
比例明显提升，证明涂胶能改善薄弱环节
[7]
，增
大抗拉、压承载力。
受压空心杆的破坏形态分为三类：①端部局
部破坏；②弯曲失稳屈曲；③侧棱黏结开裂破坏。
表3为构件的破坏数据统计结果。由表3可知，单
层竹皮空心杆构件以端部局部破坏为主，占总破坏
形式的61%，说明侧棱滴胶能改变构件破坏形态。
78
广东交通职业技术学院学报第20卷
表2受拉竹皮破坏形态杆件数目统计分析
杆件类型杆端破坏/个中部破坏/个
单层0.269
单层0.2涂315
单层0.35018
单层0.35涂612
单层0.5126
单层0.5涂018
合计2778
表3受压杆件破坏形态杆件数目统计分析
杆件类型杆端破坏/个中部破坏/个侧棱开裂/个
箱-单层0.351251
箱-单层0.35包角1260
箱-单层0.51080
箱-单层0.5包角1080
合计44271
(a)中间破坏(b)端部破坏
图2受拉竹皮破坏形态
(a)端部破坏(b)弯折破坏
(c)开裂破坏
图3受压空性杆破坏形态
2.2构件质量实验结果及分析
图4为受拉竹皮和受压杆件质量随宽度（边
长）的变化曲线。由图4可知，其中，单层0.2mm
竹皮拉条的质量在0.1~0.2g之间；单层0.2mm竹
皮拉条胶水强化后，质量提升一倍，在0.2~0.4g
之间。0.35mm拉条质量与胶水强化后的0.2mm
拉条相差不大，在0.2~0.4g之间；0.35mm拉条质
量进行胶水强化后，质量最大可达0.6g。0.5mm
竹皮结构当宽度为9mm时，质量可达0.6g，与
0.35mm胶水强化结构相似。
单层竹皮空心杆构件中，0.5mm+包角构件
质量最高，边长7mm的质量在2.0~3.2g之间。
0.35mm+包角质量大于0.5mm单层构件，质量
在1.0~2.0g之间。
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压构件
图4构件质量随边长变化关系
3极限荷载结果
图5为受拉和受压杆件的极限承载力随宽度
变化曲线。由图5a可知，0.5mm+胶水
强化构件极限承载力较高，0.35mm+胶水强化
构件的承载力次之。胶水强化对0.35mm和
0.5mm竹皮的抗拉承载力影响较大，而对0.2mm
构件影响较小。主要原因是0.2mm竹皮的局部
缺陷较其他两类竹皮多，少量胶水不足以填补
相应缺陷。因此，0.35mm和0.5mm胶水强化
受拉构件是竹皮受拉构件的优选结构。
由图5b可知，0.5mm+包角的空心杆极限承
载力较高，其次是0.35mm+包角构件，承载力最
低的是0.35mm空心杆结构。而0.35mm+包角结
构与0.5mm空心杆的强度相差不大，但前者的
质量较后者高。
（边长）
第1期
王永宝，等：大学生结构设计竞赛基本杆件力学性能试验研究
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(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压空心杆
图5构件承载力随边长变化关系
4荷质比结果
图6为受拉和受压构件的极限荷载与质量之
比（荷质比）随宽度（边长）变化曲线。由图6
可知，对受拉构件，在竹皮上增加胶水能显著减
小其荷质比的离散波动性，且荷质比随边长的增
加没有明显的规律，宽度需根据受拉杆件实际受
力大小取值。0.5mm+胶水强化的竹皮受拉构件
不仅具有较高抗拉承载力（200N），也有相对较
大的荷质比（450N/g），因此较适合作为受拉竹
皮构件。0.35mm+胶水强化受拉竹皮的承载力和
荷质比与0.35mm+胶水强化受拉竹皮相差不大，
也可以作为受拉竹皮构件。另外，虽然0.2mm竹
皮质量较轻，但极限承载力较低（低于100N），
荷质比也较低（低于300N/g），因此，0.2mm
竹皮缺陷更多，更容易发生断裂破坏，不适合作
受拉构件。
对单层竹皮空心杆，荷质比随边长的增加
逐渐降低。空心杆边长小于8mm时，四类构件
的荷质比大于270N/g。整体而言，未包角构件
的荷质比较包角空心杆荷质比大，但包角构件
的应力较大。0.35mm构件和0.5mm构件的荷
质比相差不大，0.5mm构件的缺陷较小，荷质
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压空心杆
图6构件荷质比随边长变化关系
比波动性较小，较适合做空心杆构件。
5应力结果
图7为受拉竹皮和受压箱型空心杆的实测应
力值随宽度（边长）的变化曲线。由图7a可知，
在受拉竹皮上涂抹502胶水能提高构件的应力，
0.35mm竹皮拉条具有较高抗拉强度，宽度7mm
时强度达60MPa，与贾新聪
[7]
的试验结果相差不
大（单层7mm），抗拉强度能达到赛题要求（60
MPa）。受拉竹皮的抗拉强度与截面宽度关系不
大，实际竹皮宽度根据设计模型受拉力确定，
0.2mm竹皮结构的抗拉强度最小。
由图7b可知，0.35mm+包角空心构件的应
力最高，且随着边长的增加而降低，边长为7
mm和8mm抗压强度应力可达到38MPa，包角
后的抗压强度较不包角的抗压强度显著提高，
证明包角对空心杆抗压强度的提高作用明显。
0.5mm竹皮包角后，强度也显著提高，边长9
mm的抗压强度由27MPa提升为43MPa，强度
能达到赛题要求（30MPa）。因此，用单层竹皮
结构制作空心杆需要在四角进行包角处理，但
缺点是会增加质量，降低荷质比。
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广东交通职业技术学院学报第20卷
(a)单层竹皮受拉构件
(b)单层竹皮受压空心杆
图7构件应力随边长变化关系
6结语
本文开展了不同宽度竹皮拉条以及不同边长
空心杆的承载力试验研究，分析了不同构件的质
量、极限承载力、荷质比和应力。主要结论如下：
（1）受拉竹皮荷质比随边长无明显变化规
律，可根据模型实际受力确定宽度；受拉竹皮
涂胶能提高荷质比和抗拉强度，0.35mm竹皮
拉条具有较高抗拉强度，宽度7mm时强度达
60MPa；虽然0.5mm竹皮实测强度较0.35mm
小，但荷质比与0.35mm竹皮相差不大，也可
用于受拉竹皮；0.2mm竹皮不适合受拉竹皮构
件制作。
（2）用单层竹皮结构制作空心杆需要考虑在
四角用0.2mm竹皮进行包角处理，减小受力过程
中的开裂破坏但缺点是会增加质量，降低荷质比；
0.35mm或0.5mm竹皮+包角处理的空心杆具有较
高抗压强度（大于30MPa）和荷质比（大于270
N/g），能满足一般结构设计竞赛模型杆件受力要
求。
参考文献：
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