竹質(zhì)工字梁抗彎性能的研究

喻云水 ，周蔚虹 ，劉 學(xué)

竹質(zhì)工字梁抗彎性能的研究

喻云水1，2，周蔚虹1，劉 學(xué)1

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410004；2. 竹業(yè)湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410004)

竹質(zhì)工字梁是將慈竹竹簾膠合板鋸裁成翼緣板與腹板后，通過等邊角鋼用螺釘聯(lián)接而成。采用兩端簡支，在梁跨方向三分點處進(jìn)行兩點加載試驗，量測竹質(zhì)工字梁的應(yīng)變和變形。結(jié)果表明：工字梁翼緣與腹板之間的螺釘連接可靠性與有效性不高，腹板邊緣與翼緣之間的剪力不能有效傳遞；腹板端部發(fā)生剪切破壞，腹板受拉區(qū)發(fā)生裂縫。

竹質(zhì)工字梁；慈竹；竹簾膠合板；力學(xué)性能

我國竹資源豐富，竹子種類多，竹林總面積居世界第一位。竹材的抗拉強度約為木材的2倍，抗壓強度比木材約高10%，竹材的比強度是鋼材的3～4倍[1]。竹材具有作為建筑結(jié)構(gòu)用材的條件，若將其開發(fā)成合理的結(jié)構(gòu)用材，則能夠拓寬竹材的用途[2-5]。在竹建筑領(lǐng)域，單波等[6]開發(fā)了一種以竹膠合板為基材的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)人行橋梁，并研究了竹膠合板梁的成型工藝和構(gòu)件的力學(xué)性能。魏洋等[7]指出竹結(jié)構(gòu)在設(shè)計與建造方面都具有非常好的靈活性，具有出色的抗震性能，其最大優(yōu)勢在于綠色、低碳、節(jié)能、減排，竹質(zhì)工程材料能夠達(dá)到現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的要求。李玉順等[8]對鋼—竹組合工字梁進(jìn)行了受剪性能試驗，研究結(jié)果表明：鋼—竹組合工字梁整體工作性能優(yōu)良，組合效應(yīng)顯著，具有較高的承載力和剛度。筆者研究了一種慈竹竹簾膠合板，將慈竹竹簾膠合板鋸裁成翼緣板與腹板后，通過等邊角鋼用螺釘聯(lián)接而成竹質(zhì)工字梁。采用兩端簡支，在梁跨方向三分點處進(jìn)行兩點加載試驗，量測竹質(zhì)工字梁的應(yīng)變和變形，并研究竹質(zhì)工字梁的破壞過程和機理，為竹質(zhì)工字梁應(yīng)用于竹質(zhì)建筑領(lǐng)域提供力學(xué)性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

(1)慈竹竹簾膠合板制備

慈竹：產(chǎn)自四川長寧縣。將慈竹加工成長130～150 cm、寬20～40 mm、厚1～1.5 mm的竹篾后用棉線編織成竹簾，施加酚醛樹脂膠粘劑后，在90 ℃條件下干燥至含水率12%。按照相鄰層互相垂直的方式，組坯熱壓成幅面為1 300 mm×3 000 mm，名義厚度為32 mm的慈竹竹簾膠合板，其物理力學(xué)性能，見表1，并用于竹質(zhì)工字梁的制造。

表1 慈竹竹簾膠合板物理力學(xué)性能Table1 Physical and mechanical properties of Bambusa distegia curtain plywood

(2)竹質(zhì)工字梁試件制造

試驗測試用竹質(zhì)工字梁試件由3塊慈竹竹簾膠合板通過40 mm等邊角鋼用螺釘固定而成。螺釘長20 mm，直徑8 mm，每150 mm一個螺釘。試件主要參數(shù)為竹質(zhì)工字梁截面的翼緣厚度、翼緣寬度、翼緣長度、腹板寬度與腹板高度等。通過現(xiàn)場測量，竹質(zhì)工字梁的基本尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 竹質(zhì)工字梁的基本尺寸Table 2 Basic size of bamboo I-shaped beam

1.2 試驗方法

(1)加載方式

試件采用兩端簡支，采用液壓千斤頂，通過分配梁在1/3跨處對試件進(jìn)行2點加載，中間1/3跨內(nèi)為純彎段，荷載通過設(shè)置在液壓油缸下部的力傳感器測定。竹質(zhì)工字梁試驗加載示意圖如圖1，其中l(wèi)為試件總長，h為100 mm，a=(l—2 h)/3。竹質(zhì)工字梁凈跨為2 600 mm，預(yù)載為10 kN，對竹質(zhì)工字梁分級加載，每級加載10 kN。

(2)測量內(nèi)容

①荷載測量：通過力傳感器測量。

②撓度測量：測量5個點的豎向位移，百分表進(jìn)行讀數(shù)。

圖1 竹質(zhì)工字梁加載示意Fig. 1 Loading of bamboo I-shaped beam

③應(yīng)變測量：跨中腹板5個應(yīng)變值，上、下翼緣板中間各1個應(yīng)變值和支座45° 2個應(yīng)變值，共9個應(yīng)變值，用3 815應(yīng)變箱進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與分析

不同荷載條件下竹質(zhì)工字梁抗彎試驗結(jié)果如表3。

根據(jù)表3試驗結(jié)果繪制竹質(zhì)工字梁加載過程中撓度分布與發(fā)展曲線如圖2所示，加載初期，竹質(zhì)工字梁的跨中荷載—撓度呈線性發(fā)展；當(dāng)荷載超過20 kN后，不斷出現(xiàn)螺栓與連接角鋼摩擦以及被拔出的響聲；在加載超過80 kN后，部分螺釘出現(xiàn)明顯的撥出現(xiàn)象，且發(fā)出的聲響較大，在發(fā)出聲響的同時，荷載出現(xiàn)明顯的波動。當(dāng)荷載達(dá)到的120 kN后，荷載基本不再增加而變形增大，梁不斷發(fā)出開裂聲。當(dāng)荷載增加至125 kN時，腹板中部出現(xiàn)剪切破壞荷載力大幅降低，試驗終止。

圖2 撓度分布與發(fā)展Fig. 2 Distribution and development of deflection

表3 竹質(zhì)工字梁抗彎試驗結(jié)果?Table 3 Experiment results of bending behavior of the bamboo I-shaped beam

圖3 跨中荷載-撓度曲線Fig. 3 Curves of mid-span load and deflection

對于竹質(zhì)工字梁，當(dāng)荷載增加至125 kN時，腹板中部出現(xiàn)剪切破壞，荷載力大幅降低。說明腹板抗剪切強度較小。根據(jù)表3試驗結(jié)果繪制梁跨中荷載與撓度曲線如圖3，從圖3可以看出，竹質(zhì)工字梁的抗彎剛度開始階段比較穩(wěn)定，荷載超過25 kN后，剛度出現(xiàn)顯著減小，此后，剛度退化趨勢逐步加快，與螺釘?shù)陌纬雠c滑移現(xiàn)象有密切關(guān)系。

根據(jù)表3試驗結(jié)果繪制各級荷載下跨中截面的應(yīng)變分布情況如圖4。從圖4中可以看到，隨著荷載的增加，上、下翼緣變形顯著小于腹板邊緣的變形，腹板的變形與翼緣的變形不協(xié)調(diào)，這表明螺釘連接的剪應(yīng)力傳遞效果不好，影響了構(gòu)件的剛度和承載力。

圖4 跨中截面應(yīng)變分布曲線Fig. 4 Curves of middle cross section strain distribution

3 結(jié) 論

(1)竹質(zhì)工字梁翼緣與腹板之間的螺釘連接可靠性與有效性不高，腹板邊緣與翼緣之間的剪力不能有效傳遞，這樣引起腹板與翼緣的變形不協(xié)調(diào)。因此，需要將螺釘連接改為螺栓連接，增加聯(lián)接件的可靠性與有效性，保證腹板邊緣與翼緣剪力的有效傳遞，可有效提高竹質(zhì)工字梁的剛度和承載力。

(2)竹質(zhì)工字梁腹板發(fā)生剪切破壞，說明腹板抗剪強度不高。需要改變腹板用竹簾膠合板中的竹簾配置方向和數(shù)量，以提高腹板高度方向上的抗壓強度和抗剪強度，以達(dá)到提高竹質(zhì)工字梁的承載力與延性。

[1] 趙仁杰,喻云水.竹材人造板工藝學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社, 2002.

[2] 單 煒,李玉順.竹材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景分析[J].森林工程, 2008, 24(2): 62-65.

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[7] 魏 洋,張齊生.現(xiàn)代竹質(zhì)工程材料的基本性能及其在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景[J].建筑技術(shù), 2011, 42(5): 390-393.

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Study on bending behavior of the bamboo I-shaped beam

YU Yun-shui1,2, ZHOU Wei-hong1, LIU Xue1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry, Changsha 410004, Hunan, China)

The bamboo I-shaped beam was made of flange plate and web plate which were sawed and cut from bamboo curtain plywood,and connected and fixed by equilateral angle steel and screws. The loading experiments of the bamboo I-shaped beam were carried out by using simply supported at both ends beam, and loading at three dividing point along the direction of beam span. The results indicate that the reliability and effectiveness of the screw fastening between the flanges and web of the I-shaped beam were not high;and the shearing force between the edges of the web plate and the flange plate can not be effectively delivered;the shear compression occurred in the end of the web plate,and the cracks occurred in the tensile region of the web plate.

bamboo I-shaped beam; Bambusa distegia; bamboo curtain plywood; mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)01-0154-03

2011-11-20

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201004005)；湖南省科技重大專項(2011FJ1006)；湖南省教育廳高校產(chǎn)業(yè)化培育項目(11cy027)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點學(xué)科資助項目

喻云水(1964—)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事竹質(zhì)工程材料的研究

[本文編校：歐陽欽]