定性分析竹子的力学特性(红色推荐)

定性分析竹子的力学特性

结12，高鸣，2001010132

初次见到竹子的人大概都为竹子如此之细却能长那么高而感到惊讶，尤其是竹子多生长在南方，而且最茂密的季节是夏季，很难想象竹子在南方夏天的狂风骤雨中如何屹立不倒。笔者试图通过自己有限的一点知识，从竹子的结构出发浅谈竹子的受力优点。

先看一下竹子的结构有哪些特点。竹子的断面是圆环形，中空，一般直径6厘米，壁厚0.5厘米，大约每隔15厘米有一个实心坚硬的竹节。

对于空心固体的受力性能，意大利科学家伽利略曾经做过专门的研究，这里摘录如下：“人类的技艺（技术）和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物质可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到，它们的重量很小，但是有极大的抗弯力和抗断力，麦秆所支持的麦穗重量，要超过整株麦茎的重量，假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的，它的抗弯和抗断力就要大大减低。”“实际上也曾经发现并且用实验证实了，空心的棒以及木头和金属的管子，要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固，当然，实心的要比空心的细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上，把某些东西制成空心的，使它们又坚固又轻巧。”

竹子在自然界中主要受自重荷载和风荷载。在自重荷载下（无风时），竹子相当于一根受压杆，根据欧拉公式，临界荷载：2

2)(l EI F Pcr μπ= ，对于竹子，E 是它的材料性能，

取决于竹纤维的强度，生长在土地上长度系数2=μ，

这些都是常数。除去长度因素外，还和截面抗弯刚度Pcr F EI 成正比。显然，在同样的重量下，把截面作成空心圆环对于提高抗弯刚度EI 是最有利的。计算表明，假如把竹子做成实心的，则其抗弯能力是原来的1/10。因此，竹子特有的空心圆环形的截面保证了它的受压整体稳定性，从而能提高其生长高度。那么竹子如何保证受压局部稳定性呢？竹节的作用此时就体现了。竹节所起到的作用与箱形截面柱中横向加劲肋是一样的，从而保证了竹子的受压局部稳定性。同时，竹节的存在也保证了竹子的抗扭能力，避免竹子发生扭转失稳。

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。同时，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。对于抗剪，竹节又起到了很关键的作用。坚硬实心的竹节将竹身分成小段小段的区格，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能力。举个例子，农业上小麦减产主要原因之一“倒伏”，就是小麦返青拔节时，由于雨水过多，生长迅速而拔节快，形成节与节之间间距大，减低了麦秆的抗剪能力，头重脚轻杆软倒伏于地。

从上面的分析可以看出，竹子的结构特点十分符合它在自然界中的受力需要。自然界中的许多动植物身上都有许多这样的特点，这些都是生物在进化过程中逐渐产生的有利于其生存的特点，受力优越性便是其中之一。

学习体会

本学期选修了袁老师的定性结构力学课，感觉收获是很大的，比如，光是学到的约束去约束法就屡试不爽，在定性结构分析的时候能起到很大的作用。以下我谈谈上完这门课后对定性结构分析的一点理解：

首先，定性分析是基于明确的力学概念的基础上，概念不清楚，分析就不正确。因此，做定性结构分析，要求我们要有扎实的力学功底；

其次，定性分析并不代表没有定量计算，而是这种定量的计算在脑中完成，不是精确完成，而是近似计算，近似计算本身就是一项很复杂的技巧，要求能定性地分析数据，比如要求的精确性、能模糊的舍入度等等。

再次，定性分析的过程中，运用形象的思维方式是十分有利的。比如在脑子中可以想象一个结构受力时的变形过程，以确定危险断面、纤维拉伸模态等等。

以上是我脑中一些不太成熟的理解，对于课程的建议，我想，如果可能的话，本门课程应该加课时，至少一个学期32个学时，这样能学到更多的东西。

教师点评：

很有意思的一篇短文。观察细致，分析合理。

作者从生活中来，有生活知识和积累；比如说“倒伏”，未必人人皆知，恰好我还知道。

定性分析需要敏锐的观察力和分析力，更需要积极主动的意识，同时也需要以生活实践、工程实践、研究实践作基础。

文章体现了定性分析的意识，这也是本门课程最想让学生学到的。