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

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1m,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—“竹子的自然属性”

【2】【3】琳恩·伊丽莎白--《新乡土建筑》—机械工业出版社·2005

【4】赵军、张有忱--《化工设备机械》--化学工业出版社·2007

【5】【6】李慧,张玉坤--《建筑科学》—天津大学出版社·2007