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3～8 mm 的受拉杆件，测试了其抗拉性能[6]。贾新聪[7]开展了若干3 mm、5 mm 和7 mm 受拉竹皮及5 mm×5 mm 和7 mm×7 mm 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55～62 MPa，空心杆的受压应力可取30 MPa，但并未从荷质比角度进行讨论。王磊等[8]测试了边长为5 mm 和6 mm 三角形和方形空心杆的极限承载力，发现荷质比在120～160 N/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0.2 mm、0.35 mm、0.5 mm 竹皮共制作了108个宽度为5～10 mm受拉竹皮构件和72个边长为5～10 mm的单层箱型空心杆构件，受拉试件长度为200 mm，受压试件长度为100 mm。

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0.35 mm，08 表示空心杆的边长为8 mm。试验采用的两类杆件类型如下：①单层0.2、0.35、0.5 mm竹皮制作的拉条；②单层0.35和0.5 mm竹皮制作的空心杆。

表1 试件参数试件类型拉条压杆编号D2-05(～10)D35-05(～10)D5-05(～10)DT2-05(～10)DT35-05(～10)DT5-05(～10)XT35-05(～10)XT5-05(～10)X35-05(～10)X5-05(～10)压杆类型单层0.2单层0.35单层0.5单层0.2-涂单层0.35-涂单层0.5-涂单层0.35-包单层0.5-包单层0.35单层0.5 W/mm 5～105～105～105～105～105～105～105～105～105～10 t/mm

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0.2 mm，宽为6 mm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1 N，试验拉、压行程为80 cm，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。

表2 受拉竹皮破坏形态杆件数目统计分析杆件类型单层0.2单层0.2涂单层0.35单层0.35涂单层0.5单层0.5涂合计杆端破坏/个6 3 0 6 12 0 27中部破坏/个78