竹子的力学特性

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170M Pa, 顺纹抗压强度达80M Pa。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2.5～3倍，但若按单位重量计算抗拉能力，则竹材要比钢材强2～3倍。

3、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。弯曲强度条件为

][W

M max max σσ≤=。 要提高杆件的强度, 除了合理安排受力, 降低M max 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。，实心圆截面和空心圆截面的抗弯截面模量分别是 3d 321W π=实 )1(32

1W 43απ-=D 空 式中, d 是实心杆直径, D 是空心杆外径, 1D 是空心杆内径。2

1D D =

α为空心杆内、外径比值, 当空心杆和实心杆的截面积相同时 ）（2122D -D 4

1d 41ππ=或212D -D d = 则11-1-1D 32

1d 321W W 22433>+==α

ααππ）（空实

（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α越大,其抗弯强度也随之增大。 例如, 当α= 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，

由抗拉强度很高的纤维质构成。

（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，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