魏留闯 魏屏 杨勇 陈虹羽 熊平家 陈安宁
昆明学院自动控制与机械工程学院 云南昆明 650214
摘要：竹材一种具备优异力学性能的天然材料。本论文通过实验研究，分析了竹材自身维管束密度和含水率对竹材顺纹抗拉强度和顺纹抗拉弹性模量的敏感程度，得出了各影响因素对竹材力学性能的影响，进一步得到了两种因素的影响水平。从而得出结论：避免竹材潮湿对于保障竹材受力结构的刚度和稳定性都具有重要的意义。
关键词：顺纹抗拉强度；弹性模量；析因实验设计；析因分析
竹材具有强度高、弹性好、性能稳定、密度适中的特点，是自然界存在的一种具备优异力学性能的天然材料。由于竹材的比刚度和比强度高于木材和普通钢铁，在建筑工程领域不仅可以应用于装饰装修，也广泛应用于承重结构。
1实验总体方案
本文根据原生竹材的基础性质，结合中华人民共和国建筑行业标准JG/T 199—2007[19]，进行实验的整体设计，设计的具体内容如下：
（1）通过江南XJL-03显微镜对竹材截面维管束进行观察，并拍照。通过所拍照片分析其分布密度，面积及其形状；
（2）采用微机控制电子万能实验机对材料进行顺纹抗拉强度实验以及顺纹抗拉弹性模量实验。对得到的数据进行分析，得出结论；
（3）通过对竹材的维管束分布密度以及含水率进行分组对照实验，得到不同含水率和不同的维管束分布密度对竹材顺纹抗拉强度不同的力学性质，包括顺纹抗拉强度和顺纹抗拉弹性模量。实验分为四组，分别为：
第一组：维管束分布密度稀疏，不浸泡水；
第二组：维管束分布密度稀疏，浸泡48h；
第三组：维管束分布密度密集，不浸泡水；
第四组：维管束分布密度密集，浸泡48h。
为了了解竹材维管束分布密度以及试件含水率对竹材顺纹抗拉强度实验和顺纹抗拉弹性模量有无影响，现将竹材截面维管束及含水率因素引入到实验中。为了建立竹材的细观力学模型，我们假定：
（1）假定竹条内的维管束和基体部分都是均质的；
（2）假定竹条内的维管束是纵向连续的、均质的；
（3）假定在试件的有效长度范围内，维管束分布沿试件长度不发生变化；
（4）假定每根试件在水中浸泡时，与水的接触面积相同。
2析因实验设计
竹材顺纹抗拉强度试件尺寸设计如图1：
3析因分析
根据只考虑含水率、试件维管束分布密度对竹材抗拉强度的影响，下面对本次实验的结果进行22析因分析。
方便起见，因子的效应用大写拉丁字母表示，“A”表示维管束分布密度因子效应，“B”表示含水率因子效率，“AB”表示两种因子的交互作用效应，因子的低水平和高水平分别以“”和“”表示。
2因子2水平全面工况组合可用表2表述为：
图2 22实验组和计算图
主效应A可以由图2中的正方形右边两个处理组合的平均响应和左边的两个处理组合的平均响应的差求得；主效应B可以由图3-12中的正方形上边两个处理的平均响应和下边的两个处理组合的平均响应的差求得；交互作用效应AB是正方形副对角线上的两个处理组合平均响应和主对角线上两个处理组合的平均响应的差求得：
（下转第288页）4实验结论
综合上述实验步骤，以及实验所得数据的整理分析，可得到以下结论：
（1）由表5可知，浸泡过水的试件的弹性模量明显比干燥试件的弹性模量低，这是由于试件在浸泡过水后，导致弹性模量降低。
（2）由表5可知，维管束分布密集的试件的弹性模量比维管束分布分散的试件的弹性模量高，这是由于竹材的主要受力部分之一为维管束，即维管束分布密度约密集，则顺纹抗拉弹性模量越大。
（3）由实验可知，维管束分布密集且浸泡过水的试件的顺纹抗拉弹性模量比维管束分布分散且浸泡过水的试件的顺纹抗拉弹性模量大，这是由于在浸泡过程中，维管束分布分散的试件，其内部的空隙较大，导致水的有效浸入，使试件含水率增大，使得抗拉弹性模量降低。
（4）根据表6的p值可判断该效应在统计上的显著水平；0.1<PA<0.5可判断主效应A（维管束分布密集程度）在统计上为显著水平；0.1<PB<0.5，可判断主效应B（含水率）在统计上为显著水平。
（5）从图5和6可以看出，含水率为影响抗拉弹性模量的主导因素，呈负相关关系。与维管束的密集程度呈正相关关系。
5结论
本课题通过理论分析和实验研究，系统的研究了原生竹材的顺纹抗拉强度和顺纹抗拉弹性模量与竹材含水率及维管束分布密度之间的关系。通过实验数据得出以下结论：
（1）顺纹抗拉强度随含水率的增大而减小；
（2）顺纹抗拉强度随维管束分布密集程度的增大而增大；
（3）顺纹抗拉弹性模量随含水率的增大而减小；
（4）顺纹抗拉弹性模量随维管束分布密集程度的增大而增大；
（5）竹材的含水率随维管束分布密集程度的增大而减小。
综合以上结论，可知，竹材在以后的工程结构建设中，应尽量保持干燥，且应挑选维管束密集的竹材作为材料。
参考文献：
[1]冼杏娟，冼定国．竹材的微观结构及其与力学性能的关系[J]．竹子研究汇刊，1990，9(3)：10~23．
[2]周芳纯．竹材培育和利用[M]．南京林业大学竹材研究编委会，1998．
[3]杨云芳，俞友明等．红壳竹竹材物理力学性质的研究[J]．浙江林学院学报，1998，15(02)：158~163．
基金项目：昆明学院校级配套课题（XJZD1603）
论文作者:魏留闯,魏屏,杨勇,陈虹羽,熊平家,陈安宁
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/6
标签：维管束论文; 竹材论文; 弹性模量论文; 抗拉强度论文; 密度论文; 密集论文; 含水率论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;