竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱抗壓性能的研究

劉 學(xué)，喻云水,，周蔚虹

(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(zhǎng)沙410004; 2.竹業(yè)湖南省工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410004)

竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱抗壓性能的研究

劉 學(xué)1，喻云水1,2，周蔚虹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(zhǎng)沙410004; 2.竹業(yè)湖南省工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410004)

利用竹膠合板與L型鋼制備用于竹結(jié)構(gòu)房屋支撐作用的竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱，采用雙向刀鉸與500噸長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)抗壓測(cè)試，測(cè)量結(jié)構(gòu)柱抗壓性能，觀察其在軸向壓力作用下的壓縮、彎曲變形，分析竹簾膠合板力學(xué)性能、連接方式、破壞形式等對(duì)結(jié)構(gòu)柱力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱結(jié)構(gòu)柱破壞荷載為700 kN，抗壓強(qiáng)度為33.26 MPa；竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱端部出現(xiàn)局部受壓破壞；竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱翼緣與側(cè)板之間的螺釘連接強(qiáng)度不高，兩者之間所受剪力不能有效傳遞。

竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱；慈竹；竹簾膠合板；抗壓性能

我國(guó)是竹子資源豐富的國(guó)家，由于竹子生長(zhǎng)快，成才周期短[1-2]，加之竹材具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)、交通等領(lǐng)域[3-6]。特別是考慮強(qiáng)重比時(shí)，竹材更具優(yōu)勢(shì)，可作為鋼材和混凝土材料一種有益的補(bǔ)充材料[7-8]。李玉順等[9]進(jìn)行了鋼-竹組合工字梁受剪性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：鋼-竹組合工字梁在彎矩及剪力共同作用下，整體性能突出，組合效應(yīng)良好。呂雁等[10]研究了竹膠合板矩形梁的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明：竹膠合板矩形梁與工程中常用木材力學(xué)性能相近，完全可以代替木材用于實(shí)際工程,并能達(dá)到較好的效果。蔣天元[11]等人研究了箱形鋼-竹組合柱抗震性能，結(jié)果表明：鋼-竹組合柱具有良好的組合效應(yīng)，具有較高的剛度和承載能力，能應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域。

本文采用竹簾膠合板做為翼緣板與腹板，通過(guò)L型鋼與螺釘連接制成竹質(zhì)工字柱，再用竹簾膠合板薄板作為側(cè)板將兩翼緣板之間相連而成的竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱。采用雙向刀鉸與500 t長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜力加載，測(cè)量竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱的荷載與變形，并研究其抗壓破壞過(guò)程和機(jī)理，為其應(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 試驗(yàn)材料

1.1.1 竹簾膠合板

竹簾膠合板：產(chǎn)于四川長(zhǎng)寧縣，材種為慈竹Bambusa emeiensisChin et H. L. Fung。

將慈竹加工成2 100 mm長(zhǎng)、20～40 mm寬、1～1.5 mm厚的竹篾。再通過(guò)織簾機(jī)用棉線編織成竹簾，竹簾含水率干燥至10%左右。將竹簾放入浸膠框中，再浸入固體含量在23%～25%的水溶性酚醛樹脂膠中并浸漬3～5 min。施加酚醛樹脂膠粘劑后，在90 ℃條件下竹簾干燥至含水率為12%。組坯方式為相鄰層互相垂直，熱壓工藝參數(shù)：熱壓溫度130～140 ℃，熱壓壓力3.5～4.0 MPa，保壓時(shí)間50 min。采用“冷進(jìn)冷出”工藝進(jìn)行熱壓，熱壓成幅面為2 100 mm × 1 220 mm，名義厚度為25 mm與15 mm的2種竹簾膠合板。竹簾膠合板物理性能指標(biāo)見表1。

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

1.1.2 金屬連接件

（1）L型鋼：臂長(zhǎng)50 mm，厚度3 mm，材質(zhì)為材質(zhì)為Q235A，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。

（2）螺釘：長(zhǎng)20 mm，直徑8 mm，長(zhǎng)度方向螺釘間距150 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱試件制備

竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱試件包括兩大部分：一是工字型竹柱為主體，由3塊慈竹竹簾膠合板（2塊為翼緣板，1塊為腹板）通過(guò)等邊L型鋼用螺釘固定而成；二是側(cè)板，即在翼緣板兩側(cè)進(jìn)行固定封邊作用的薄型膠合板。最終樣品為方形結(jié)構(gòu)柱，定義為竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱。橫截示意圖見圖1(C)，竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱主要參數(shù)為翼緣厚度、翼緣寬度、腹板寬度、腹板高度、柱高等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，竹質(zhì)工字梁的基本尺寸數(shù)據(jù)見表2。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

(1)長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)：YES-500型，量程：500 t，長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠制造。

圖1 試件測(cè)試布置Fig. 1 Testing layout of specimen

表2 竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱的基本尺寸Table 2 Basic size of bamboo building structural column

(2)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)：DH3818型，江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司。

1.2.3 試驗(yàn)原理與方法

(1)試驗(yàn)原理：利用長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)柱施加靜力載荷，通過(guò)安裝在結(jié)構(gòu)柱不同部位的應(yīng)變片與百分表測(cè)得在加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)柱側(cè)面所產(chǎn)生的撓度與變形，觀察結(jié)構(gòu)柱的破壞形態(tài)，分析結(jié)構(gòu)柱撓度與變形結(jié)果，得出結(jié)構(gòu)柱軸心抗壓強(qiáng)度與撓度變化規(guī)律。

(2)試驗(yàn)方法：試件兩端采用雙向刀鉸，可在試件端部的相互垂直的兩個(gè)軸線上繞任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)；柱頂和柱底的雙向刀鉸放置方向在任何方向柱的計(jì)算長(zhǎng)度不變。竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱試驗(yàn)加載示意圖如圖1(A)，結(jié)構(gòu)柱翼緣板中心處應(yīng)變片為縱向應(yīng)變片1與橫向應(yīng)變片2，側(cè)板中心處應(yīng)變片為縱向應(yīng)變片3與橫向應(yīng)變片4，百分表位于竹柱四等分點(diǎn)位置，預(yù)載為10 kN，檢查儀器運(yùn)作情況，再卸載，之后對(duì)竹柱分級(jí)加載，前期每級(jí)加載10 kN，后期為20 kN。

1.2.4 測(cè)量?jī)?nèi)容

應(yīng)變測(cè)量：在柱的中央截面的4個(gè)側(cè)面沿豎向和橫向粘貼標(biāo)距為50 mm的電阻應(yīng)變片各一對(duì)，用DH3818應(yīng)變箱進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)變片分布及編號(hào)見圖1(C)。

撓度測(cè)量：在柱的相鄰側(cè)面，測(cè)量四等分點(diǎn)與兩端點(diǎn)處側(cè)向位移，用于測(cè)量豎向位移，用百分表進(jìn)行讀數(shù)，百分表分布見圖1（B）所示。

荷載通過(guò)力傳感器測(cè)量，總體壓縮變形利用百分表進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與破壞模式

圖2為試件軸向壓縮位移與壓縮載荷曲線圖。由圖2可知，在整個(gè)壓縮過(guò)程中，軸向壓縮位移基本呈線性變化，試件在預(yù)加載60 kN后對(duì)應(yīng)變計(jì)與百分表進(jìn)行記錄。測(cè)試開始后，在荷載達(dá)到100 kN之前，試件未發(fā)生任何破壞現(xiàn)象。當(dāng)荷載超過(guò)100 kN后，因膠合板內(nèi)部部分粘結(jié)劑被拉壞而不斷出現(xiàn)響聲。當(dāng)載荷從220 kN加載到240 kN時(shí)，壓縮位移增量較小，因竹材是生物質(zhì)材料，軸向抗壓強(qiáng)度與韌性較好，故會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。在載荷達(dá)到320～380 kN時(shí)，也出現(xiàn)同樣情況。在加載超過(guò)480 kN后，因膠合板內(nèi)部粘結(jié)劑破壞長(zhǎng)度加大，膠合板內(nèi)部竹簾發(fā)生部分破壞，發(fā)出的聲響較大。當(dāng)加載到650 kN時(shí)，側(cè)板與翼緣板之間的剪力超過(guò)連接釘強(qiáng)度，使側(cè)板與翼緣板發(fā)生分離，連接釘被拔出（見圖3）。當(dāng)加載到700 kN時(shí)，試件所承受的荷載超過(guò)翼緣板軸向抗壓強(qiáng)度，引起翼緣板下部發(fā)生破壞，使試件失去承載力（見圖4）。

圖2 軸向壓縮位移與壓縮載荷曲線Fig. 2 Curve of axial compressive displacement and compression load

圖3 側(cè)板與翼緣板發(fā)生分離Fig. 3 Side plate separation from fl ange plate

圖4 翼緣板下部破壞Fig. 4 Damaged lower part of fl ange plate

試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)柱最終因組成構(gòu)件的竹簾膠合板開裂，從而使構(gòu)件失去承載力。結(jié)構(gòu)柱的破壞荷載為700 kN，抗壓強(qiáng)度為33.26 MPa，軸向壓縮量最大值為5.656 mm。

2.2 竹柱撓度變化分析

測(cè)試初期，雙向刀絞會(huì)對(duì)受壓試件進(jìn)行自動(dòng)對(duì)中，初期百分表測(cè)試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，故設(shè)預(yù)加載荷為40 kN，將此點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)為零點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2.1 翼緣板撓度分析

圖5為翼緣板側(cè)向位移與載荷曲線圖，圖6為翼緣板各點(diǎn)側(cè)向位移軸向分布圖。由圖5、6可知，在載荷小于260 kN時(shí)，翼緣板側(cè)向位移在0點(diǎn)周圍呈波度變化，絕對(duì)值較小，翼緣板側(cè)向位移不明顯。因翼緣板與腹板用L型鋼與螺釘連接，軸向抗壓強(qiáng)度得以提高，同時(shí)側(cè)板連接兩塊翼緣板，對(duì)翼緣板側(cè)向位移變化有一定的束縛作用，因此翼緣板側(cè)向位移絕對(duì)值較小，可認(rèn)為翼緣板變形較小。當(dāng)載荷超過(guò)260 kN后，各測(cè)試點(diǎn)均發(fā)生較大程度變化，絕對(duì)值變大，可能是竹簾膠合板內(nèi)部膠粘劑發(fā)生部分破壞導(dǎo)致。當(dāng)載荷達(dá)到480 kN時(shí)，各點(diǎn)變化程度變化達(dá)到最大值，其中7點(diǎn)位置處變化最大，達(dá)到了3.63 mm，這可能是連接處的螺釘失效導(dǎo)致，7點(diǎn)位置處側(cè)板與翼緣板發(fā)生分離，連接釘被拔出，側(cè)板的束縛力減小，使得翼緣板側(cè)向位移變化最大。

圖5 翼緣板側(cè)向位移與載荷的關(guān)系曲線Fig. 5 Curves of lateral displacement of fl ange and load

圖6 翼緣板480 kN載荷時(shí)側(cè)向位移Fig. 6 Lateral displacement of fl ange under load of 480 kN

2.2.2 側(cè)板撓度分析

圖7為側(cè)板側(cè)向位移與載荷曲線圖，圖8為側(cè)板各點(diǎn)側(cè)向位移軸向分布圖。由圖7、8可知，各店側(cè)向位移總體趨勢(shì)向上，變化程度較為平穩(wěn)，并且中點(diǎn)側(cè)向位移變化最大。當(dāng)載荷達(dá)到480 kN時(shí)，側(cè)向位移值達(dá)到最值，并且沿軸向呈拋物線形式分布，中心點(diǎn)撓度最大，兩端最小，各點(diǎn)撓度值以6點(diǎn)處為對(duì)稱點(diǎn)，兩側(cè)撓度值逐漸減小，載荷主要集中在軸向中心位置。同時(shí)此分布不僅表現(xiàn)在最大撓度值上，同時(shí)從各點(diǎn)撓度變化趨勢(shì)線上也可以看出，中心點(diǎn)初期的變化最為明顯，且兩端在載荷增大后期撓度的變化較小。稍微有所不同的是支撐點(diǎn)的側(cè)向位移為負(fù)值，這是因?yàn)閴嚎s測(cè)試的特殊性造成的，雙向刀絞的取直導(dǎo)致。

圖7 側(cè)板側(cè)向位移與載荷的關(guān)系曲線Fig. 7 Curves of lateral displacement of lateral plate and load

圖8 側(cè)板480 kN載荷時(shí)側(cè)向位移Fig. 8 Lateral displacement of lateral plate under load of 480 kN

2.3 竹柱中心的泊松比

通過(guò)應(yīng)變片1、2、3、4測(cè)出的翼緣板縱橫向應(yīng)變值與側(cè)板縱橫向應(yīng)變值，應(yīng)變變化隨壓縮載荷增加的規(guī)律見圖9、10。通過(guò)圖9、10可得翼緣板與側(cè)板泊松比，翼緣板V1=e’/e= 0.146 9，側(cè)板V2=e’/e= 0.200。翼緣板與側(cè)板均為竹膠合板，為同一種材料。對(duì)于同一種材料來(lái)說(shuō)，泊松比應(yīng)該相差不大。但由計(jì)算結(jié)果V1、V2可知，兩者泊松比相差較大。可能的原因有兩點(diǎn)，一是厚度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)柱中所用的兩種竹膠合板是縱橫組坯，厚度不同則制備工藝不同，這些差異最終導(dǎo)致密度，結(jié)構(gòu)，性能等力學(xué)性能差異，也可認(rèn)為是略有不同的兩種材料；二是本測(cè)試是在制品竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱上得出的結(jié)果，翼緣板中部通過(guò)L型鋼與腹板連接，在測(cè)試時(shí)L型鋼與腹板對(duì)翼緣板的縱向應(yīng)變有一定的抵消作用，在同樣壓力下，翼緣板產(chǎn)生的撓度較小，使得其縱向應(yīng)變略小，通過(guò)2.2.2中的分析，側(cè)板的橫向撓度較大，這種變化促使中間部分產(chǎn)生更大的變形，故在橫向上側(cè)板應(yīng)變會(huì)偏大，導(dǎo)致泊松比偏大。

圖9 翼緣板應(yīng)變與載荷曲線Fig. 9 Strain and load curves of fl ange plate

圖10 側(cè)板應(yīng)變與載荷曲線Fig. 10 Strain and load curves of side plate

3 結(jié) 論

(1) 竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱在軸向受壓時(shí)，側(cè)向位移最大值為3.63 mm，軸向壓縮量最大值為5.656 mm，結(jié)構(gòu)柱的破壞荷載為700 kN，抗壓強(qiáng)度為33.26 MPa，總體側(cè)向穩(wěn)定性較高，軸向壓縮量較小，抗壓性能較好。

(2) 竹質(zhì)架構(gòu)柱翼緣板出現(xiàn)局部受壓破壞而失去承載力，表明竹質(zhì)架構(gòu)柱承載力大小主要有翼緣板抗壓強(qiáng)度決定，因此可通過(guò)改變翼緣板用竹簾膠合板的組坯方式，以增強(qiáng)翼緣板抗壓強(qiáng)度，從而提高竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱的承載能力。

(3) 竹質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)柱翼緣板與側(cè)板之間連接強(qiáng)度不高，兩者之間所受剪力不能有效傳遞，從而引起兩者變形程度不同，因此需要改善側(cè)板與翼緣板之間的連接方式，提高竹質(zhì)結(jié)構(gòu)柱的抗壓強(qiáng)度。

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Study on compression resistance of bamboo building structural column

LIU Xue1, YU Yun-shui1,2, ZHOU Wei-hong1
(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 building structural column was made up of bamboo plywood and L-shaped steel for supporting bamboo structural house, and was pressured by using the bi-directional knife hinges and the 500 tons static load and long column test machine. The pressure resistance of the column was measured and the compression and bending deformations under axial pressure were observed, and the effects of mechanical property, connection methods and damage form of bamboo curtain plywood on the mechanical performance of bamboo building structural column were analyzed. The experimental results indicate that the damaged load of the bamboo building structural column was 700 kN and its compressive strength was 33.26 MPa; the local compression failure occurred in the end of the bamboo building structural column; the screw fastening strength between the fl anges and the lateral plates of the column were not high,and the shearing force between the the fl anges and the lateral plate could not be passed effectively.

bamboo building structural column；Bambusa distegia；bamboo curtain plywood； compression resistance

S795.5；TS653

A

1673-923X(2013)01-0104-05

2012-10-10

湖南省科技重大專項(xiàng)（2011FJ1006）；國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201004005）

劉 學(xué)（1986-），男，河北安新人，碩士研究生，主要研究方向：竹質(zhì)工程材料；電話：15073133784；

E-mail：booldmail@163.com

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；電話：0731-85623047；E-mail: yuyunshui@sina.com

[本文編校：歐陽(yáng)欽]