CN111044385A - 竹子抗载能力的测量装置及竹子抗载能力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及竹材力学测试领域，提供竹子抗载能力的测量装置及竹子抗载能力的测量方法。竹子抗载能力的测量装置包括：脚手架，设置有导向件；卷绳机；牵引绳，从所述导向件引出，第一端缠绕于所述卷绳机，第二端用于绑定待测竹子露出土壤的部分；测力计，安装于所述牵引绳并测量所述牵引绳向所述待测竹子施加的牵引力；位移传感器，测量所述牵引绳的牵引位移。该种竹子抗载能力的测量装置，通过简易测试平台对原生竹材不同高度部位以悬臂式加载，利用位移传感器和测力计收集竹材抗弯时的最大位移及载荷，并结合植株形态参数及生长状态分析其对应构造对竹子抵御应力的能力，其获得数据速度快，操作简单实用。

Description

竹子抗载能力的测量装置及竹子抗载能力的测量方法

技术领域

本发明涉及竹材力学测试领域，具体为竹子抗载能力的测量装置及竹子抗载能力的测量方法。

背景技术

竹材是具有精细分级结构的生物质材料，其抗载能力是竹材各级结构协同作用的集中体现。竹材力学测试技术是通过拉伸、弯曲、压缩以及剪切等方式，以表征其抵抗变形及破坏能力的手段，对诠释竹材在承载时各级结构所发挥的作用十分重要。

大量学者通过从宏观、组织及细胞水平探究竹材力学性能。在宏观水平，学者多通过测量竹片的拉伸、弯曲、压缩、剪切等性能表征其抵抗外力的能力，发现竹材力学性能与密度、纤维含量、纤维梯度分布密切相关；在组织水平，有研究证明了竹材在抵抗外力时，薄壁组织和纤维因产生不同的能力吸收消耗而产生了不同的作用机制；在细胞水平，学者发现竹材中薄壁组织和纤维的壁层结构、微纤丝角排布均有巨大差异。

其中一种现有技术通过恒温恒湿、气干、蒸煮、低温和超低温处理方法模拟圆竹使用的不同自然环境，采用3D复合材料力学分析系统的单轴向和双轴向压缩对圆竹径向抗压力学性能进行测试，分析不同条件对圆竹径向抗压承载能力及变形特性的影响，为模拟圆竹遭受环境变化时载荷稳定性提供依据。

另外一种现有技术利用3m长的不同竹龄毛竹进行抗弯测试，研究了毛竹圆竹在竹龄、竹秆部位的力学性能变化规律，为毛竹整竹在承载时各级结构的协同作用提供理论依据。

以上现有技术存在的缺陷包括：

这些方法均以一定规格加工试样为前提，为单因素力学性能分析，未考虑竹材各级结构协同作用对其力学性能的影响。

这些方法仅单纯测试了竹材节间的径向抗载性能，没有考虑竹节在圆竹整体抗载时发挥的作用。

这些方法是利用已截断的圆竹进行测试，没有考虑圆竹在不同立地环境下所处状态的差异性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的其中一个目的是：提供一种竹子抗载能力的测量装置，解决现有技术中存在的需要以一定规格加工试样为前提、没有考虑竹子整体的抗载性能以及没有考虑不同立地环境对竹子抗载性能带来的差异的问题。

为了实现该目的，本发明提供了一种竹子抗载能力的测量装置，包括：

脚手架，设置有导向件；

卷绳机；

牵引绳，从所述导向件引出，第一端缠绕于所述卷绳机，第二端用于绑定待测竹子露出土壤的部分；

测力计，安装于所述牵引绳并测量所述牵引绳向所述待测竹子施加的牵引力；

位移传感器，测量所述牵引绳的牵引位移。

在一个实施例中，所述导向件为安装于所述脚手架的定滑轮。

在一个实施例中，所述定滑轮包括固定于所述脚手架底部的第一定滑轮，以及位于所述第一定滑轮上方的第二定滑轮，所述牵引绳的第一端从所述第一定滑轮引出后缠绕于所述卷绳机，所述牵引绳的第二端从所述第二定滑轮引出后定至所述待测竹子。

在一个实施例中，所述脚手架包括支撑腿，且所述支撑腿高度可升降。

在一个实施例中，所述牵引绳包括第一绳段和第二绳段，所述第一绳段固定至所述测力计的第一端，所述第二绳段固定至所述测力计的第二端。

在一个实施例中，所述位移传感器安装于所述卷绳机或者脚手架。

在一个实施例中，所述脚手架为立杆式脚手架、门式脚手架、围护式脚手架或爬式脚手架；所述卷绳机为手摇式卷绳机或电动式卷绳机。

根据本发明的实施例，提供一种竹子抗载能力的测量方法，包括：

S1、将设置有导向件的脚手架设置在待测竹子一侧；

S2、将牵引绳从导向架引出后，第一端绑定至待测竹子露出土壤的部分，第二端缠绕于卷绳机；

S3、设置用于测量牵引绳的牵引力的测力计，以及用于测量牵引绳的牵引位移的位移传感器；

S4、通过卷绳机向待测竹子施加水平方向的力，获取竹子发生破坏时测力计和位移传感器的数据。

在一个实施例中，步骤S1中，将脚手架设置在待测竹子的迎风侧；

步骤S4中，开启卷绳机预施加载荷以消除环境干扰，并将此时测力计和位移传感器的显示调零。

在一个实施例中，步骤S4中，通过卷绳机向待测竹子分级加载或连续加载。

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的该种竹子抗载能力的测量装置，通过简易测试平台对原生竹材不同高度部位以悬臂式加载，利用位移传感器和测力计收集竹材抗弯时的最大位移及载荷，并结合植株形态参数及生长状态分析其对应构造对竹子抵御应力的能力，其获得数据速度快，操作简单实用。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的竹子抗载能力的测量装置的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大示意图；

图3为图1中B处的局部放大示意图；

图4为图1中C处的局部放大示意图；

图中：1：待测竹子；2：脚手架；3：定滑轮；4：测力计；5：卷绳机；6：位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

请参见图1至图4，根据本发明实施例的竹子抗载能力的测量装置，包括：

脚手架2，设置有导向件；

卷绳机5；

牵引绳，从导向件引出，第一端缠绕于卷绳机5，第二端用于绑定待测竹子1露出土壤的部分；

测力计4，安装于牵引绳并测量牵引绳向待测竹子1施加的牵引力；

位移传感器6，测量牵引绳的牵引位移。

该种竹子抗载能力的测量装置，通过简易测试平台对原生竹材不同高度部位以悬臂式加载，利用位移传感器6和测力计4收集竹材抗弯时的最大位移及载荷，并结合植株形态参数及生长状态分析其对应构造对竹子抵御应力的能力，其获得数据速度快，操作简单实用。

传统在实验室测取竹子的抗弯载荷，由于实验室无法完全还原原生竹子的实际受力情况，只能将竹子设置成单悬臂的形式，不仅实验难度大，而且实验数据也不准。而本发明实施例，将竹子抗载能力的测量装置设置于原生竹子附近，也即竹子抗载能力的测量装置实验环境为竹子的存活生长地，进而其操作更加方便，并且获取的数据更加可靠，可以用于为竹子的生长过程提供准确的分析数据。

进一步的，该种竹子抗载能力的测量装置，其结构简单易行，其脚手架2便于组装、拆卸和运输。并且，该种竹子抗载能力的测量装置，其脚手架2可根据测试环境、地形以及待测样竹不同高度、不同部位进行搭建，可实现原生竹子不同高度、不同部位抗载能力的原位测试。

其中，植株形态参数包括竹子高度、外径、迎风面投影面积以及竹节数等；生长状态包括含水率、竹龄等。

根据本发明的实施例，导向件可以为任何可以对牵引绳的方向进行导引的部件，例如导向件可以为形成于脚手架2的导向槽，也可以安装于脚手架2的形成有导向孔的支架，还可以为定滑轮3。

其中，当导向件为安装于脚手架2的定滑轮3时，定滑轮3的安装高度可以基于卷绳机5的所在高度以及待测竹子1的待绑定高度确定。

在一个实施例中，定滑轮3包括固定于脚手架2底部的第一定滑轮3，以及位于第一定滑轮3上方的第二定滑轮3，牵引绳的第一端从第一定滑轮3引出后缠绕于卷绳机5，牵引绳的第二端从第二定滑轮3引出后绑定至待测竹子1。该种情况下，通过第一定滑轮3可以确定位于第一定滑轮3和卷绳机5之间的绳段水平，通过第二定滑轮3可以确定位于第二定滑轮3和待测竹子1之间的绳段水平。

其中，由于在不同测试需求下，可以能要检测竹子不同高度的抗载能力，进而此时第二定滑轮3的安装高度也需要相应变化。基于此，第二定滑轮3通过可拆装的方式安装于脚手架2，进而可以方便调整第二定滑轮3的高度。或者，也可以是脚手架2包括支撑腿，且支撑腿高度可升降，进而通过调节支撑腿的升降高度，达到调整第二定滑轮3高度的目的。又或者，还可以是第二定滑轮3在脚手架2上可以沿着滑轨滑动，并通过锁紧件锁紧在任意位置。

其中，当脚手架2包括可升降的支撑腿的时候，支撑腿包括多节伸缩杆，通过多节伸缩杆的伸缩调节支撑腿的高度。

根据本发明的实施例，牵引绳包括第一绳段和第二绳段，第一绳段固定至测力计4的第一端，第二绳段固定至测力计4的第二端。将测力计4安装至牵引绳的不同绳段之间，不仅安装方便，也保证了检测的准确性。

根据本发明的实施例，位移传感器6的安装位置不受限制，例如位移传感器6可以安装于卷绳机5或者脚手架2，当然也可以如图1安装于卷绳机5和脚手架2之间。当位移传感器6安装于卷绳机5的时候，位移传感器6基于卷绳机5处牵引绳的位移变化获取竹子在牵引绳拉力作用下发生的位移变化。当位移传感器6安装于脚手架2的时候，位移传感器6基于脚手架2处牵引绳的位移变化获取竹子在牵引绳拉力作用下发生的位移变化。当位移传感器6安装于脚手架2和卷绳机5之间的时候，也即对应图1的情形，此时位移传感器6基于其对应绳段的位移变化获取竹子在牵引绳拉力作用下发生的位移变化。

需要说明的是，如果竹子在外界环境的风力下弯曲，此时竹子为弯曲状态，因此卷绳机5需要先将竹子拉直，而将绳子拉直时测得的拉力以及位移均需要先消零。当然，可以尽量在无风天气时测量。如果测试量有外界风力的干扰，则需要计算横风载荷，在数据处理时先将横风载荷抵消。

利用上述竹子抗载能力的测量装置进行原生竹子抗载能力测量的过程，可以简述为：开启卷绳机5预施加一定载荷以消除环境干扰，利用卷绳机5将牵引绳拉直后，将测力计4中显示载荷调零，并将位移传感器6中显示的位移调零；开启卷绳机5施加载荷直至竹子破坏，终止实验并记录所产生的最大载荷和位移。

根据本发明实施例的竹子抗载能力的测量方法，包括：

S1、将设置有导向件的脚手架2设置在待测竹子1一侧；

S2、将牵引绳从导向架引出后，第一端绑定至待测竹子1露出土壤的部分，第二端缠绕于卷绳机5；

S3、设置用于测量牵引绳的牵引力的测力计4，以及用于测量牵引绳的牵引位移的位移传感器6；

S4、通过卷绳机5向待测竹子1施加水平方向的力，获取竹子发生破坏时测力计4和位移传感器6的数据。

其中，竹子破坏特征为竹子发生明显破坏或载荷下降幅度达到最大载荷的40％以上，当然也可以为其它传统意义上的结构破坏或者性能破坏。

根据本发明的实施例，S1中，将脚手架2设置在待测竹子1的迎风侧；S4中，开启卷绳机5预施加载荷以消除环境干扰，并将此时测力计4和位移传感器6的显示调零。

通过将脚手架2设置在竹子的迎风侧，进而可以通过牵引绳的牵引力消除外界环境风力对竹子的影响。

在一个实施例中，S4中，通过卷绳机5向待测竹子1分级加载或连续加载。

例如，分级加载中，所施加固定载荷为每级1kN-10kN，间歇时间为0.5min-5min。其中，每级1kN-10kN指代的是针对具有不同植株形态参数及生长状态的竹子，可以在1kN-10kN之间选择载荷大小。并且，在当前选择载荷的基础上，分级加载。在对竹子加载过程中，竹子的位移和时间的关系以10mm/min-50cm/min为宜。

根据本发明实施例，可以计算当地最大横风载荷，横风产生的载荷利用F＝ρSv²计算，其中F为横风产生的载荷；ρ为空气密度；S为竹子迎风面投影面积；v为当地最大风速。计算得到最大横风载荷之后，可以将横风载荷通过以上竹子抗载能力的测量装置施加于待测竹子1，判断待测竹子1在最大横风载荷下的变化，进而为竹子的保护提供理论依据。

根据本发明实施例，给出上述竹子抗载能力的测量装置进行测量的过程：

在浙江杭州竹林中选取四年生毛竹样竹(经过根压测试)，量取整竹含水率为62％，整竹高14.2m，竹节数52，迎风面的投影面积为0.816m²。

测得当地环境温度为20℃，最大风速为5m/s，竹子迎风面投影面积为0.816m²，空气密度1.205kg/m³，根据F＝ρSv²算得毛竹承受风载为24.58N，其中，F为毛竹承受风载，ρ为空气密度，S为竹子迎风面投影面积，v为当地最大风速。

预计在毛竹样竹5m处、第20节与第21节的节间处施加载荷，选取施加载荷方向与风载方向相同的地点搭建立杆式脚手架2，随后在脚手架2与卷绳机5同高和5m处分别安装两个定滑轮3，安装位置以保证通过两定滑轮3的牵引绳与地面保持垂直或者平行为准。

将牵引绳一段固定在毛竹5m处的待测部位，另一端通过定滑轮3后连接测力计4，并接入电动式卷绳机5，为了防止测力计4卷入卷绳机5，需要保证测力计4与卷绳机5之间足够长的牵引绳长度余量；安装拉绳式位移传感器6，并且保证位移传感器6与卷绳机5的距离与待测样竹与脚手架2的距离相同。

先开启卷绳机5将牵引绳拉直后停止并调零测力计4和位移传感器6，然后施加1kN预载荷以消除环境造成的载荷波动；以分级加载的方式加载，每加载5kN稳定1min，以保证竹子受载后变形稳定，循环此步骤直至竹子发生破坏。

终止实验，记录毛竹破坏载荷以及发生的最大位移，并结合毛竹构造特征及形态参数，计算毛竹破坏应力，分析其抗载强度及弹性模量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，包括：

脚手架，设置有导向件；

卷绳机；

牵引绳，从所述导向件引出，第一端缠绕于所述卷绳机，第二端用于绑定待测竹子露出土壤的部分；

测力计，安装于所述牵引绳并测量所述牵引绳向所述待测竹子施加的牵引力；

位移传感器，测量所述牵引绳的牵引位移。

2.根据权利要求1所述的竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，所述导向件为安装于所述脚手架的定滑轮。

3.根据权利要求2所述的竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，所述定滑轮包括固定于所述脚手架底部的第一定滑轮，以及位于所述第一定滑轮上方的第二定滑轮，所述牵引绳的第一端从所述第一定滑轮引出后缠绕于所述卷绳机，所述牵引绳的第二端从所述第二定滑轮引出后定至所述待测竹子。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，所述脚手架包括支撑腿，且所述支撑腿高度可升降。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，所述牵引绳包括第一绳段和第二绳段，所述第一绳段固定至所述测力计的第一端，所述第二绳段固定至所述测力计的第二端。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，所述位移传感器安装于所述卷绳机或者脚手架。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的竹子抗载能力的测量装置，其特征在于，所述脚手架为立杆式脚手架、门式脚手架、围护式脚手架或爬式脚手架；所述卷绳机为手摇式卷绳机或电动式卷绳机。

8.一种竹子抗载能力的测量方法，其特征在于，包括：

S1、将设置有导向件的脚手架设置在待测竹子一侧；

S2、将牵引绳从导向架引出后，第一端绑定至待测竹子露出土壤的部分，第二端缠绕于卷绳机；

S3、设置用于测量牵引绳的牵引力的测力计，以及用于测量牵引绳的牵引位移的位移传感器；

S4、通过卷绳机向待测竹子施加水平方向的力，获取竹子发生破坏时测力计和位移传感器的数据。

9.根据权利要求8所述的竹子抗载能力的测量方法，其特征在于，步骤S1中，将脚手架设置在待测竹子的迎风侧；

步骤S4中，开启卷绳机预施加载荷以消除环境干扰，并将此时测力计和位移传感器的显示调零。

10.根据权利要求8所述的竹子抗载能力的测量方法，其特征在于，步骤S4中，通过卷绳机向待测竹子分级加载或连续加载。

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