重組竹材結(jié)構(gòu)連接性能的研究進(jìn)展

戴 靚，陳華山，余肖紅,2

（1．浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300； 2. 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300）

重組竹材結(jié)構(gòu)連接性能的研究進(jìn)展

戴 靚1，陳華山1，余肖紅1,2

（1．浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300； 2. 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300）

對(duì)重組竹材的基本性能進(jìn)行綜述，其力學(xué)性能與木材相近，密度大，碳化后的重組竹紋理與高級(jí)木材相近，干縮系數(shù)較小，適用于家具制作。重點(diǎn)對(duì)榫卯連接、螺栓連接和釘連接三種常用連接方式對(duì)用重組竹材的結(jié)構(gòu)連接性能進(jìn)行了綜述分析，榫卯結(jié)構(gòu)連接比一般的木材強(qiáng)度高；螺栓直徑、紋理方向和含水率對(duì)連接點(diǎn)的影響顯著；螺釘?shù)臄Q入深度和導(dǎo)入直徑比螺釘種類(lèi)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響更為顯著。

重組竹材；結(jié)構(gòu)連接；性能；綜述

我國(guó)是世界上最大的竹資源擁有國(guó)，竹子具有生長(zhǎng)快、更新能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是非木質(zhì)可再生資源。近年，為緩解木材資源供需矛盾，我國(guó)的竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，先后成功開(kāi)發(fā)了竹編膠合板、竹材膠合板、竹席/簾膠合板、刨切竹單板、重組竹材和竹展平板等新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。在建筑、輕工、包裝等領(lǐng)域已逐漸被廣泛運(yùn)用[1～2]。

近年來(lái)，隨著竹材防腐、防霉和熱處理等技術(shù)的發(fā)展，使重組竹在戶(hù)外大量應(yīng)用成為可能，其需求也與日俱增。戶(hù)外重組竹材常用于地板、墻板、圍欄和家具等，其優(yōu)良的形態(tài)表現(xiàn)、豐富的色彩和獨(dú)特的肌理等[3]，深受消費(fèi)者喜愛(ài)。某些企業(yè)采用創(chuàng)新技術(shù)生產(chǎn)的戶(hù)外重組竹材具有良好的生物耐久性、耐候性、尺寸穩(wěn)定性及安全、環(huán)保等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，大大提高了竹材利用率且拓寬了竹材使用領(lǐng)域，使竹材的使用從室內(nèi)擴(kuò)展到了室外[4]。無(wú)錫大劇院在設(shè)計(jì)中以竹代木，室內(nèi)的地板、座椅、墻板均采用了竹材，在湖畔一側(cè)大量應(yīng)用了高耐腐重組竹。

在現(xiàn)代戶(hù)外重組竹材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于安裝便捷、安全可靠、承載力大、有充分的緊密性和韌性等優(yōu)點(diǎn)，螺栓類(lèi)連接被廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)體系、家具部件等。

1 重組竹材基本性能的研究進(jìn)展

重組竹材是竹材經(jīng)過(guò)截?cái)?、剖分、疏解、炭化、干燥、浸膠、瀝干、烘干、組坯、冷壓熱固化或直接熱壓而成的竹板材。具有良好的紋理、色澤及物理力學(xué)性能。90年代初，葉良明等[5]借助重組木的生產(chǎn)工藝，制備出了不去青小徑雜竹為原料，PF樹(shù)脂為膠黏劑的重組竹材新產(chǎn)品，并得到了較佳的熱壓工藝參數(shù)。葉良明等[6]以小徑雜竹為原料，水溶性酚醛樹(shù)脂膠為膠黏劑，試制了去青與不去青的兩種重組竹板材并比較其性能，得出去青不去青對(duì)材料的吸水性能影響有較大的影響等結(jié)論。

2003年，李琴等[7]對(duì)重組竹材膠合板制造技術(shù)進(jìn)行研究，獲得了較佳的重組竹生產(chǎn)工藝參數(shù)。于文吉等[8]以不同竹種的小徑竹為原料研究了小徑重組竹材制造工藝，結(jié)果表明不同竹種對(duì)重組竹的膠合性能有很大的影響。程亮等[9]以綠竹為原料，研究了膠粘劑固體含量、浸膠方式、浸膠時(shí)間等因素對(duì)重組竹材物理力學(xué)性能的影響。胡娜娜等[10]對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)工程中重組竹成型材的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。2014年，吳秉玲等[11]對(duì)竹束的精密疏解對(duì)重組竹力學(xué)性能的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。2015年杜春貴等[12]對(duì)竹束形狀與重組竹的生產(chǎn)工藝及性能影響進(jìn)行了相關(guān)研究。

對(duì)比重組竹材與原竹、木材在物理力學(xué)性能、耐腐性能以及干縮濕脹性能，發(fā)現(xiàn)重組竹都具有一定的優(yōu)勢(shì)。孫玲玲[13]研究得出重組竹密度為1.2 g/cm3，約為原竹密度的1.7倍；張俊珍等[14]通過(guò)抗壓與抗拉力性能研究，得出重組竹材順紋抗拉強(qiáng)度為248.15 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為129.17 MPa，穩(wěn)定性較好；在相近密度下，重組竹比幾種常見(jiàn)木材如麻櫟等的干縮系數(shù)要小，適于用家具制作[15]；用酚醛膠制備的熱處理重組竹的耐腐性能最好，達(dá)到I級(jí)[16]；隨著密度的增大，重組竹的彈性模量和靜曲強(qiáng)度都會(huì)增加，厚度則不明顯；隨著厚度越大，重組竹剖面密度曲線(xiàn)形狀更陡峭，起伏更明顯；密度越大，重組竹剖面密度曲線(xiàn)整體向上提升，但變化幅度較小[17]。通過(guò)抗拉和抗壓性能實(shí)驗(yàn)和理論分析，表明重組竹的力學(xué)性能可替代木材或膠合木材，滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的要求[18]。趙鶴等[19]研究提出，重組竹在戶(hù)外家具的應(yīng)用上有以下優(yōu)點(diǎn)：良好的物理性能與木材相似，干縮系數(shù)比常見(jiàn)木材小，對(duì)戶(hù)外家具設(shè)計(jì)制造十分有利；具有良好的加工性能；良好的表面裝飾性能。

靳肖貝等[20]以慈竹竹束為原料，選了三種不同的阻燃劑對(duì)重組竹燃燒性能和物理性能進(jìn)行了測(cè)試。魏萬(wàn)姝等[21]在研究防霉劑對(duì)重組竹的影響時(shí)表明，由于竹材含有大量的淀粉糖類(lèi)等物質(zhì)，極易引起蟲(chóng)蛀和病腐，在潮濕環(huán)境下易受到霉菌和腐朽菌的侵害，通過(guò)4種不同的防霉劑的添加對(duì)比后，雖然藥量越大，防霉效果越好，但同時(shí)也影響著板材的膠合強(qiáng)度。吳秉嶺等[11]利用纖維原味可控分離技術(shù)處理竹片后制備的重組竹，得出高溫炭化處理是提高重組竹的耐水性能和尺寸穩(wěn)定性的有效方法之一，但同時(shí)材料的力學(xué)性能損失嚴(yán)重；但是采用精細(xì)疏解過(guò)的竹束制備重組竹材，不但竹束的精細(xì)疏解加工工藝簡(jiǎn)單，而且加工后的力學(xué)性能不損失，還能提高耐水性和尺寸穩(wěn)定性。覃道春等[22]研究得出，重組竹材經(jīng)水洗后，處理材的防霉性能均有不同程度的降低；在同樣的防霉處理工藝和水洗條件下，藥劑添加量高的重組竹處理防霉性能優(yōu)于低添加量，并且篩選出適用于戶(hù)外的防霉劑。張宏等[23]通過(guò)對(duì)比分析同等濃度不同藥劑及處理方式對(duì)重組竹材的霉腐防治能力，結(jié)果表明防霉劑對(duì)霉菌具有一定的抑制作用。

2 重組竹材結(jié)構(gòu)連接性能的研究

結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的一步，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和牢固性具有重要意義。常用的連接方式主要有榫卯連接、螺栓連接和釘連接等。

2.1 榫卯連接

黃圣游等[24]通過(guò)設(shè)計(jì)了相同橢圓榫的尺寸，比較重組竹材與橡膠木后發(fā)現(xiàn)，重組竹材試驗(yàn)中只有部分榫頭斷裂而橡膠木榫頭均斷裂，說(shuō)明重組竹材的抗彎距強(qiáng)度更高，不僅其本身的力學(xué)強(qiáng)度高于一般的木材，且在榫卯結(jié)構(gòu)連接時(shí)也比一般的木材強(qiáng)度高。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析得到了抗彎彎矩與橢圓榫寬度、極限抗拔力與配合參數(shù)β之間的變化規(guī)律。并指出，抗彎矩強(qiáng)度從高到低依次為橢圓榫接合、圓材榫接合、雙圓榫接合、斜角榫接合[25]。

2.2 螺栓連接

1932年，Trayer[26]提出螺栓彎曲和木材的互相作用影響著材料的螺栓連接性能，推導(dǎo)出非線(xiàn)性載荷位移曲線(xiàn)和螺栓連接設(shè)計(jì)公式。1949年，Johanson[27]提出了歐洲屈服理論模型（European Yield Model，EYM），認(rèn)為螺栓連接件主要受螺栓抗彎承載力和木材銷(xiāo)槽承壓的影響，通過(guò)假設(shè)木材與鋼材為理想彈塑性材料，并推導(dǎo)出銷(xiāo)連接承載力的計(jì)算公式。隨后，Mclain和Thangjitham（1983年）[28]在EYM的基礎(chǔ)上推導(dǎo)預(yù)測(cè)螺栓連接屈服載荷的模型，通過(guò)試驗(yàn)證明，該模型能較好的進(jìn)行螺栓連接強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。1991年，美國(guó)木結(jié)構(gòu)國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范（NDS）也首次將EYM作為銷(xiāo)釘類(lèi)連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法引入規(guī)范，并提出了單個(gè)螺栓的連接承載強(qiáng)度公式。

國(guó)外學(xué)者在木材的密度、螺栓直徑、紋理方向等方面對(duì)木材銷(xiāo)槽承載性能有所研究。其中，Whale等、Rammer等、Sawata等經(jīng)過(guò)研究得出，隨著螺栓直徑的增大，平行紋理方向加載的銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，且當(dāng)螺栓直徑大于一定的值時(shí)，銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度之間無(wú)顯著差異[29～32]。 周軍文等[33]試驗(yàn)結(jié)果表明：順紋銷(xiāo)槽承壓試件的極限承壓強(qiáng)度平均值為91.59 Mpa，呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，試件剛度較大；而橫紋銷(xiāo)槽承壓試件的極限承壓強(qiáng)度平均值為71.81 MPa，表現(xiàn)出較好的延性，試件剛度也明顯較小。

李霞鎮(zhèn)[34]在《重組竹螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載性能研究》中總結(jié)了以下幾點(diǎn)：螺栓抗彎屈服強(qiáng)度隨著螺栓直徑增大而增大；對(duì)于銷(xiāo)槽承壓強(qiáng)度而言，試樣尺寸在滿(mǎn)足最小要求的前提下，對(duì)其無(wú)顯著影響；螺栓直徑、紋理方向和含水率對(duì)其影響顯著：隨螺栓直徑增大而減小，與國(guó)外學(xué)者的研究結(jié)果相符；隨紋角度增大，呈先減小后增大的變化趨勢(shì)；隨含水率增大呈遞減趨勢(shì)，并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 釘連接等其他接合方式

黃圣游[25]以重組竹為材料，對(duì)比不同螺釘種類(lèi)、導(dǎo)孔直徑和擰入深度三個(gè)變量對(duì)接合強(qiáng)度的影響，分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)螺釘?shù)臄Q入深度和螺釘導(dǎo)入直徑比螺釘種類(lèi)對(duì)接合強(qiáng)度的影響更為顯著。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)擰入深度為19 mm、導(dǎo)孔直徑為2.8 mm左右為較合適；由于螺釘種類(lèi)對(duì)強(qiáng)度影響不顯著，選用自攻螺釘較為合適。

另外，通過(guò)對(duì)比重組竹與橡膠木以偏心連接件、四合一連接件接合時(shí)，發(fā)現(xiàn)重組竹的材料比橡膠木硬度高，導(dǎo)致在重組竹的偏心連接件的接合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于橡膠木偏心連接件接合；適用于實(shí)木家具的四合一連接件不適合用于重組竹家具，而且數(shù)據(jù)顯示這兩種連接件的接合均比榫接合的強(qiáng)度要低，建議盡量減少使用。

3 結(jié)論與展望

（1）重組竹材的力學(xué)性能與木材相近，密度大，且碳化后的重組竹紋理與高級(jí)木材相近，干縮系數(shù)較小，適用于家具制作。但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于其硬度過(guò)大，難以作出完美的曲線(xiàn)造型，重組竹材還是比較缺乏表現(xiàn)力，建議可以考慮結(jié)合其他材料。

（2）我國(guó)學(xué)者正在不斷優(yōu)化重組竹的生產(chǎn)工藝參數(shù)，不斷改善材料的尺寸穩(wěn)定性，阻燃性能等性能，對(duì)重組竹應(yīng)用于戶(hù)外奠定了良好的基礎(chǔ)。但戶(hù)外環(huán)境更加復(fù)雜，由于竹材的糖類(lèi)、淀粉類(lèi)等含量較高，易受到腐朽菌與霉菌的侵害?，F(xiàn)今的重組竹防腐技術(shù)可以使它的耐腐性達(dá)到I級(jí)，但防霉性能還有待提高，建議尋找防霉效果、力學(xué)強(qiáng)度、成本三者適宜的平衡點(diǎn)，積極擴(kuò)大重組竹的市場(chǎng)。

（3）木結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯得尤為重要，假設(shè)構(gòu)件的強(qiáng)度足夠承受外力對(duì)其的作用，但如果結(jié)點(diǎn)的接合強(qiáng)度低也會(huì)引起整體結(jié)構(gòu)的破壞，在現(xiàn)實(shí)生活中這種情況更普遍。深入了解螺栓連接的性能及其影響因素，不僅可準(zhǔn)確得到材料的極限受力狀態(tài)，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可使構(gòu)件材料得以?xún)?yōu)化。這對(duì)戶(hù)外用重組竹的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)、螺栓連接性能的改善具有重大意義。若想將重組竹材更好的推廣至戶(hù)外使用，需要對(duì)重組竹材的連接方式進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，并與其它常用戶(hù)外木材進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出最合適的接合方式及配合參數(shù)。

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Advance on Joint Types of Recombined Bamboo Timber

DAI Liang1，CHEN Hua-shan1，YU Xiao-hong1,2
（1．Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Key Laboratory of Wood Science and Technology of Zhejiang Province,Lin’an 311300, China）

Reviews were made on properties of recombined bamboo timber, such as similar mechanical properties and density as wood. Texture of carbonized recombined bamboo timber was near high quality wood with low coefficient of shrinkage, good material for furniture production. Analysis on connection performances of mortise-tenon, nailed and bolted joint demonstrated that mortise-tenon of recombined bamboo timber was stronger than that of wood. Diameter of bold, texture direction and timber moisture content had great effect on strength of the connection. Deepness and diameter of nail had more influence on strength than types of nail.

recombined bamboo; connection; performance

S781.9；TS652 中文標(biāo)識(shí)碼：A

1001-3776（2016）04-0081-04

2016-01-22；

2016-05-27

浙江省林業(yè)工程一級(jí)重中之重學(xué)科開(kāi)放基金項(xiàng)目(2014lygcz004)；浙江省科技廳公益項(xiàng)目（2015C31047）。

戴靚（1991－），女，浙江桐廬人，碩士研究生，從事家具設(shè)計(jì)與工程研究。