竹子的力学特性

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1、选题：从力学观点分析竹子的力学特征徐锴，材料1302,2013012057【摘要】本文通过分析竹子的材料和构造，说明竹子的强度特性。并通过该种特性进行一 些实际应用设计，本文选用建筑中的应用。【关键词】竹子，强度，建筑，可持续发展1、收集的常识【1】：（1）竹,禾本科，竹木质化,有明显的节,节间常中空，高大、生长迅速,竹枝杆挺拔，修长。（2）分布于热带、亚热带至温带地区，其中东亚、东南亚和印度洋及太平洋岛屿上分布最 集中，种类也最多。（3）在竹材研究方面，国内外对竹材的物理性质研究的较多，研究重点主要集中在密度、 吸水率及干缩性等方面。密度在很大程度上决定着竹材的力学性质，密度主要取决于纤维含

2、 量、纤维直径及细胞壁厚度，密度随纤维含量增加而增加。2、分析竹子强度特性【2】相比较于钢材，竹子体轻,但是硬度大。根据实验测定, 竹材的形变量非常小,弹性和 韧性却很高，顺纹抗拉强度170MPa，顺纹抗压强度达80MPa。特别是刚竹，其顺纹抗拉强 度最高竟达280M Pa,几乎相当于同样截面尺寸材的一半。虽然钢材的抗拉强度为一般竹材 的2.53倍，但若按单位重量计算抗拉能力，则竹材要比钢材强23倍。 1竹材各种力学强度二MFa囁戦法玉扛径向三抗压X匕150：59.11.52 3：10 620：1 15722-61負22 B：表2竹材三其它材料的搔度比较艾郴斗耐压强jft/iViwrJ密圍（城

3、”）混凝土S2 4DD0. OT3钢1607 SDD0. 020木材7 5600a oi3竹子1C600a on表3竹材与苴它材料的硬度比较材料扬系数仃*讪引密 XWm3）混擬土25 0002 40010钢210 OQO7 &DD77木材11 00060D迟竹子20 0006003、竹强度大的力学分析3.1空心圆截面的强度分析【4】（1）根据化工设备机械基础的弯曲强度理论【4】, 杆件强度主要指标是弯曲应力。弯曲强度MCJ= max W 条件为max W。要提高杆件的强度，除了合理安排受力，降低Mmax的数值以外，主要是采用合理的截面形状，尽量提高抗弯截面模量W的数值，充分利用材料。，实心 圆

4、截面和空心圆截面的抗弯截面模量分别是W实=32 “d3W空=32兀D3（1 -4）D式中，d是实心杆直径，D是空心杆外径，D是空心杆内径。a二亍为空心杆内、外径2比值，当空心杆和实心杆的截面积相同时1 1兀 d2 =兀（D2-D2）或 d =.D2-D2W实=W空丄兀d332兀D3（l- a 4）32（1）根据以上分析， 空心圆截面杆的抗弯强度比同样截面积的实心杆大; 并且空心圆截面 杆内、外直径的比值a越大，其抗弯强度也随之增大。例如，当a = 0。7时，它的抗弯 强度比同样重量的实心圆截面大2倍。因为，杆件抗弯时从正应力的分布规律可知在杆截面 上离中性轴越远， 正应力越大， 而中性轴附近的

5、应力很小， 这样其材料的性能未能充分发 挥作用。若将实心圆截面改为空心圆截面， 也就是将材料移置到离中性轴较远处，却可大 大提高抗弯强度。（2）在风荷载下，竹子主要抵抗的是弯矩和剪力。对于抗弯，边缘最大正应力与截面的截 面惯性矩I成反比，而I随截面半径增大而增大，故空心结构形成的大半径有利于降低边缘最 大正应力提高抗弯能力。3.2材料分布的强度分析 （1）由于边缘的正应力最大，故将优质材料布置在边缘是最优化的结构布置，竹子就做到 了这点：竹壁自外而内，分为竹青、竹肉和竹黄三个部分，竹子的表面呈现出青色的叫竹青，（2）对于抗剪，竹节又起到了关键的作用。坚硬实心的竹节将竹身分成小段的区格，在每 个

6、区格的端部提供可靠的变形约束，从而也能大大提高竹子的抗剪力能力。3.3 阶梯状变截面的强度分析 （1）竹子在风载作用下各段抵抗弯曲变形能力基本相同, 相当于阶梯状变截面杆, 是一种 近似的“等强度杆”。（2）因为在风力作用下, 沿杆自上而下各截面的弯矩越来越大。 竹子根部所受弯矩最大, 因而根部最粗, 自下而上各截面弯矩越来越小, 竹子也就越来越细。（3）另外, 竹节不仅能够增强竹子的抗弯强度, 同时,能大大地提高竹子横向的抗挤压和抗 剪切的能力。4 、竹子最为建筑用材在实际中的应用4.1 背景：中国是世界上最大的产竹国。竹子生长快，成材早产量高、用途广。据竹材研究者介绍， 竹子的生长速度非常

7、快，比其他木材的生长速度都要快。竹子最快的生长速度是24小时长长 2。01米，三个月就能长至30至40米。而中国作为世界上最大的竹材生产国在未来的国际市 场上扮演着举足轻重的角色。今天竹子是“环保”可持续保护资源的象征。钢材、水泥、玻 璃、砂石、粘土砖及其它金属、化工材料,其原料都是不可再生的矿物资源。建筑材料的全 球性紧缺是十分令人担忧的问题,特别在发展中国家。4.1 实际应用优势与动力竹子在2至3年即可成材，而木材至少需要25年，据哥斯达黎加人计算，每年只需70公顷 的竹林就可建造竹房屋1000座，如果以木材为原料，需要砍伐600公顷天然林，使用竹子替 代木材做建筑材料，可节约更多森林资源

8、，延缓地球变暖。相同面积的建筑，竹子与混凝土的能耗比为1：8，同等建筑过程中竹子能耗仅为钢材的 1/50。与木材和其他人工材料相比，竹子没有辐射。即使未经加工，竹子借助纤维组织，其纵向抗拉伸强度是中碳钢的5至6倍。 竹建筑更具灵活性，优点之一是可以通过更换损坏或老化的部分而增强耐用性，经过防 腐等手段处理的竹材使用寿命可达30年之久4.2 实际应用的可行性竹子在食品、房屋、家具等许多领域的应用历史悠久。在许多国家,竹子以多种方式得 以巧妙利用,一生都可为人类服务。竹子是房屋建造最古老的建筑材料之一,作为品质优良的 建筑材料,竹子比较便宜,且容易加工。近年来,竹子作为房屋建筑材料的重要性逐渐得到

9、人 们的关注。在亚洲,许多低收入家庭利用竹子搭建房屋构架,即便使用其它材料,竹子也是建 筑单元的主要组成部分。其可以制成房屋的屋顶桁架、檩子、椽子、柱子、地板、墙体、门 窗等各种部分,有时为了隔声的需要可以结合水泥、石膏等材料。竹子建筑除了环保外,还具 有造价低、便于安装的优点4.3 实例分析-我国的传统竹子建筑【5】我国在2000多年前,竹子就已用于民间房屋的建造,迄今南方各省仍多采用竹子建造一 些半永久性或临时性的房屋、棚舍等。竹子在江南民居建筑中一般做夯土墙的骨料使用,可 以使夯土墙更加坚固耐用,也可以把竹子剖成长条编成竹笆作为围墙、外墙,竹子还可以编织 成窗间墙的防护网、护墙板或者做成

10、框钉竹条用作护窗板。在云南,傣家竹楼属热带雨林竹楼形式,包括德宏、景颇、西双版纳一带。傣族民居以木 柱承重,四周围竹墙,为了通风和防潮,房屋整个架空。竹构架歇山顶,坡度很大,屋面覆以小 平瓦或排草。湿热带的太阳眩光很强,所以墙体不能开窗,但又要保证通风。竹编的墙透光柔 和,既排除了眩光又可以通风 。景颇族的竹楼是长脊短檐、架空低矮的干栏式建筑,竹楼的架空高度很低,一般距地面约 50cm,高的也不超过lm,竹屋两侧的竹编墙体上部略向外倾，覆盖脊长而檐短的倒梯形双坡屋 顶。从结构上看,景颇民居采用的是纵向承重构架。三列纵向设立的竹子可依家庭大小延长 扩展,柱与柱之间无横向的联系构件。另外,承重的柱

11、子与架空层、居住层、围护的墙体三者 之间也是相互独立、自成一体的5、结论作为一种重要的森林资源，竹子的生物量巨大并广泛应用于人类的日常生活，竹子的 经济价值正在不断增长。基于这一趋势，继续对竹材的特性进行深入研究已成必然。竹子因 为其特有的材料、构造，具有了各方面强度大的力学特性。通过以上对竹子的介绍可知,竹 子在我国作为建筑材料被开发是切实可行的。目前国内发展迅速,大规模的城镇建设消耗了 大量能源,也给环境带来了破坏。以可持续发展为方针,针对我国国情、建设采用，就地取材 是必要的。我国的竹类资源十分丰富,使用竹子已有几千年的历史,几乎可以涉及到各个领 域。所以发展竹材利用是未来必然趋势。参考文献：【1】百度百科一“竹子的自然属性”【2】【3】琳恩伊丽莎白一新乡土建筑一机械工业出版社2005【4】赵军、张有忱一化工设备机械一化学工业出版社2007【5】【6】李慧，张玉坤一建筑科学一天津大学出版社2007