基于大尺度重組竹試件各向軸壓力學性能研究

李海濤，蘇靖文，魏冬冬，張齊生，陳　國

(1.南京林業(yè)大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210037； 2.江西飛宇竹業(yè)集團有限公司, 江西 奉新 330700)

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基于大尺度重組竹試件各向軸壓力學性能研究

李海濤1，蘇靖文1，魏冬冬2，張齊生1，陳國1

(1.南京林業(yè)大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210037； 2.江西飛宇竹業(yè)集團有限公司, 江西 奉新 330700)

摘要：對大尺度重組竹試件進行了3個方向軸心受壓試驗研究與分析，探討了其破壞機理及所測參量之間的相互關系.竹重組材的受壓破壞屬于延性破壞，沿3個方向的破壞過程均經歷彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和破壞階段；但破壞階段有所區(qū)別.試件各向受壓的最終破壞形態(tài)較接近，均出現(xiàn)沿對角線方向的主裂縫.順紋方向的實測抗壓強度、彈性模量和泊松比值最大，離散性較大；橫紋方向Ⅰ的抗壓強度稍大于橫紋方向Ⅱ的抗壓強度，但其彈性模量和泊松比均比橫紋方向Ⅱ對應的值要小.基于試驗結果，給出了各個方向抗壓強度、彈性模量和泊松比相互之間對應的關系.

關鍵詞：竹材重組材；軸心抗壓；破壞機理；抗壓強度；彈性模量；泊松比

0引言

重組竹是將竹材[1-3]疏解成通長的、相互交聯(lián)并保持纖維原有排列方式的疏松網狀纖維束，再經干燥、施膠、組坯成型后熱壓而成的板狀或其他形式的材料[4-6].這種材料強度高，材質均勻，長度、密度可根據(jù)需要任意控制，加工性能好，可滿足建筑結構對材料物理力學性能的需求.不少學者[4-14]對竹重組材的制造、加工及基本力學性能展開了初步研究，但目前國內外沒有重組竹相關試驗標準及建筑設計標準，在建筑上的應用研究較少，大量基本理論還沒建立，人類對這種材料的破壞機理和本構模型的了解很有限.現(xiàn)有研究多數(shù)基于小尺度試件.蘇靖文等[4]對重組竹軸心受壓柱進行了試驗研究與分析.李海濤等[5]對重組竹偏心受壓柱進行了試驗研究與分析.張俊珍等[6]對重組竹橫紋抗壓強度和順紋抗壓強度進行了試驗研究與分析，但所選擇的尺寸截面僅為 20 mm×20 mm.重組竹應用到建筑領域的梁柱構件中，均以大尺度試件為主，而在大尺度下，重組竹的受壓力學性能如何鮮有文獻報道.試件尺寸越大，所含缺陷越多，其破壞機理同小尺寸有所區(qū)別，并且尺寸越大越能反映重組竹的整體力學性能.基于此，筆者對重組竹三個方向軸心受壓力學性能展開了試驗研究與分析，借以探討重組竹的破壞機理.

1試驗情況

1.1試件設計與制作

試驗用毛竹產自江西奉新，竹重組材的生產廠家為“江西省飛宇竹業(yè)集團有限公司”.設計試件尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm，共18個，根據(jù)加載方向不同，將其分成3組，每組6個試件.3個加載方向見圖1，其中1為順紋方向(竹纖維束方向)，2為橫紋方向Ⅰ(原竹筒弦向)，3為橫紋方向Ⅱ(原竹筒徑向).為了保證試件材性穩(wěn)定，統(tǒng)一選取梢部原竹制作竹重組材短柱試件.實測的密度為990.2 kg/m3，實測含水率為7.8%.

圖1　竹重組材試件

1.2試驗加載制度

依據(jù)GB/T 50329—2012[15]進行加載制度設計和試驗.試驗現(xiàn)場圖如圖2.試件加載初期采用荷載控制，當荷載達到極限荷載大約80%左右，改為位移控制.試驗從加載到破壞所用時間控制在5～10 min.試件就位后，首先進行幾何對中，使加載的作用線和構件的幾何中心對齊，以保證軸壓，然后通過預加載來檢測儀器是否工作正常并減少系統(tǒng)誤差.

1.3測點布置

試件4個側面中間位置均粘有兩個應變片(見圖2)，用以測量4個面中間點豎向和橫向的應變變化.本次試驗采用非接觸式激光位移計(LDS，見圖2)來測試件的軸向變形.試驗采用的加載儀器為100 t電液伺服萬能試驗機，采集儀器為TDS530數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng).

圖2　試驗現(xiàn)場圖

2試驗結果與分析

所有試件頂面標示有“*”.順紋方向，以一個側面(弦向)記為A面，圍繞試件豎直方向軸線順時針依次標上A、B、C、D.橫紋方向Ⅰ和Ⅱ，均以一側面(順紋)記為A面，圍繞試件豎直方向軸線順時針依次標上A、B、C、D.主要試驗結果見表1.

表1　試驗結果

2.1順紋方向

選取典型試件1-100-6描述其破壞過程如圖3所示.在加載初期，材料基本處于彈性狀態(tài)，試件表面無明顯現(xiàn)象，四側面中心的應變值基本相等；隨著荷載的增加，試件由彈性階段逐步進入彈塑性階段，試件表現(xiàn)出一定的塑性變形，剛度有所降低，變形漸趨明顯；當荷載增加至極限承載力附近時，可聽到明顯竹絲劈裂聲，仔細觀察發(fā)現(xiàn)試件D表面左下角和右上角距離側面邊大約25 mm范圍內出現(xiàn)多條細微裂縫，B表面沿左上角右下角對角線方向也出現(xiàn)細微裂縫；當荷載稍過峰值后，D面兩個部位的裂縫均向試件中部擴展，B面沿左上角右下角對角線方向裂縫增加，發(fā)生明顯局部竹纖維彎曲和錯位.繼續(xù)加載，B面和D面沿另外一條對角線方向也開始出現(xiàn)明顯裂縫及竹纖維彎曲和錯位現(xiàn)象，并且A面和C面靠近頂面和底面的竹纖維均發(fā)生外凸.從加載儀器上取下試件，發(fā)現(xiàn)頂面和底面均出現(xiàn)開裂.從圖3試件1-100-6的最終破壞圖可看出，試件主要發(fā)生以局部纖維彎曲為主的破壞，并且套箍效應沿著A面、C面方向表現(xiàn)較明顯.

圖3　順紋受壓典型破壞形態(tài)(1-100-6)

2.2橫紋方向Ⅰ

選取典型試件2-100-1描述其破壞過程如圖4所示.加載初期，同順紋方向受壓類似，材料基本處于彈性狀態(tài)，試件表面無任何明顯現(xiàn)象；隨著荷載增加，試件由彈性階段逐步進入彈塑性階段，試件表現(xiàn)出一定的塑性變形，剛度有所降低，變形漸趨明顯；當荷載增加至極限承載力90%左右時，試件D面距底邊30 mm左右位置開始出現(xiàn)細微裂縫，A面右上角和C面左上角也出現(xiàn)細微裂縫；當荷載增加至極限承載力附近時，A面和C面沿對角線出現(xiàn)的裂縫開始增大并向側面中心發(fā)展，從D面可看到明顯開裂；繼續(xù)加載，D面首先出現(xiàn)裂縫的地方，竹纖維向外翹出，B面下部分距底邊大約20～30 mm以內出現(xiàn)明顯開裂，A面左上角、左下角及右下角對角線附近均出現(xiàn)明顯開裂，并向試件側面中心發(fā)展.最后，試件發(fā)生過大軸向變形(大于15 mm)的情況下停止加載.從加載儀器上取下試件，發(fā)現(xiàn)頂面和底面也出現(xiàn)明顯開裂.從試件2-100-1的最終破壞圖可以看出，頂部和底部的加載板對試件B面、D面方向有明顯的套箍效應.

圖4　橫紋受壓Ⅰ典型破壞形態(tài)(2-100-1)

2.3橫紋方向Ⅱ

選取典型試件3-100-4描述如圖5所示.加載初期，同前述類似，材料基本處于彈性狀態(tài)；隨著荷載的增加，試件由彈性階段進入彈塑性階段，試件表現(xiàn)出一定的塑性變形，剛度有所降低，變形漸趨明顯；當荷載增加至極限承載力90%左右時，A面左上角和C面右上角附近開始出現(xiàn)細微裂縫；當荷載增加至極限承載力附近時，A面左上角和C面右上角沿對角線出現(xiàn)的裂縫開始增大并向側面中心發(fā)展，同時A面右下角和C面左下角也出現(xiàn)明顯裂縫，D面頂邊附近可看到明顯開裂；繼續(xù)加載，D面頂邊部分竹纖維向外翹出，A面左下角和C面右下角附近也出現(xiàn)明顯裂縫，并且A面和C面對角線方向的裂縫均向試件側面中心發(fā)展.最后，試件發(fā)生過大軸向變形(大于15 mm)的情況下停止加載.從加載儀器上取下試件，發(fā)現(xiàn)頂面和底面與B面和D面交接的邊附近也出現(xiàn)明顯開裂.從試件3-100-4的最終破壞圖可看出，頂部和底部的加載板對試件B面、D面方向有明顯的套箍效應.

圖5　橫紋受壓Ⅱ典型破壞形態(tài)(3-100-4)

3綜合分析

3.1抗壓強度對比

重組竹順紋方向、橫紋方向Ⅰ、橫紋方向Ⅱ的抗壓強度平均值分別為65.0、24.9、21.3 MPa，標準偏差分別為3.87、1.55、1.34 MPa，變異系數(shù)分別為0.059 6、0.062 4、0.062 9，具有95%保證率的強度特征值為58.7、22.3、19.1 MPa.很明顯，竹材順紋方向抗壓強度最大，但是同另外兩個方向相比，其試驗結果的離散性較大；橫紋方向Ⅰ的抗壓強度比橫紋方向Ⅱ的抗壓強度要大.基于試驗結果3個方向的抗壓強度標準值關系式可以用式(1)、式(2)和式(3)表示，其中fsck、fhⅠck、fhⅡck分別為順紋、橫紋方向Ⅰ、橫紋方向Ⅱ對應的抗壓強度標準值.

fsck=2.63fhⅠck,

(1)

fsck=3.07fhⅡck,

(2)

fhⅡck=0.857fhⅠck.

(3)

3.2彈性模量對比

重組竹順紋方向、橫紋方向Ⅰ、橫紋方向Ⅱ的彈性模量平均值分別為11 717.5、845.1、1 615.6 MPa，標準偏差分別為869.2、81.0、97.9 MPa，變異系數(shù)分別為0.074 2、0.095 9、0.060 6，其具有95%保證率的強度特征值為10 287.7、711.9、1 454.5 MPa.同抗壓強度類似，順紋方向彈模最大并且離散性較大；同抗壓強度不同的是，橫紋方向Ⅱ的彈模比橫紋方向Ⅰ的彈模要大.基于試驗結果，3個方向的彈性模量標準值關系式可以用式(4)、式(5)和式(6)表示，其中Esck、EhⅠck、EhⅡck分別為順紋、橫紋Ⅰ、橫紋Ⅱ對應的彈模標準值.

Esck=14.45EhⅠck,

(4)

Esck=7.07fhⅡck,

(5)

EhⅡck=2.04fhⅠck.

(6)

3.3A面(C面)泊松比對比

重組竹順紋、橫紋Ⅰ、橫紋Ⅱ的A面(C面)泊松比平均值分別為0.313、0.139、0.232，標準偏差分別為0.079、0.028、0.067，變異系數(shù)分別為0.253、0.203、0.289，具有95%保證率的強度特征值為0.182、0.092、0.122.同彈模類似，順紋A面(C面)泊松比最大并且具有較大離散性；橫紋Ⅱ的A面(C面)泊松比比橫紋Ⅰ的A面(C面)泊松比要大，但離散性也較大.基于試驗結果，3個方向的A面(C面)泊松比標準值關系式可以用式(7)、式(8)和式(9)表示，其中vsckAC、vhⅠckAC、vhⅡckAC分別為順紋、橫紋Ⅰ、橫紋Ⅱ對應的A面(C面)泊松比標準值.

vsckAC=1.98vhⅠckAC,

(7)

vsckAC=1.49vhⅡckAC,

(8)

vhⅡckAC=1.33vhⅠckAC.

(9)

3.4B面(D面)泊松比對比

重組竹順紋方向、橫紋方向Ⅰ、橫紋方向Ⅱ的B面(D面)泊松比平均值分別為0.356、0.031、0.058，標準偏差分別為0.117、0.007 8、0.009 4，變異系數(shù)分別為0.328、0.253、0.163，其具有95%保證率的強度特征值為0.164、0.018、0.042.同A面(C面)泊松比類似，順紋方向B面(D面)泊松比最大并且具有較大離散性；橫紋方向Ⅱ的B面(D面)泊松比比橫紋方向Ⅰ的B面(D面)泊松比要大.基于試驗結果，3個方向的B面(D面)泊松比標準值關系式可以用式式(10)、式(11)和式(12)表示，其中vsckBD、vhⅠckBD、vhⅡckBD分別為順紋、橫紋方向Ⅰ、橫紋方向Ⅱ對應的B面(D面)泊松比標準值.

vsckBD=9.11vhⅠckBD,

(10)

vsckBD=3.9vhⅡckBD,

(11)

vhⅡckBD=1.33vhⅠckBD.

(12)

所有試件3個方向的抗壓強度、彈性模量、泊松比的對比圖見圖6～圖9.由表1及圖6～圖9可明顯看出，3個方向相比，不管是抗壓強度，還是彈性模量和泊松比，均是順紋方向的實測值最大，但是順紋方向數(shù)據(jù)離散性較大；兩個橫紋方向相比，橫紋方向Ⅰ的抗壓強度稍大于橫紋方向Ⅱ的抗壓強度，但是橫紋方向Ⅱ的彈性模量和泊松比均比橫紋方向Ⅰ對應的值要大.

圖6　抗壓強度比較

圖7　彈性模量比較

圖8　A、C面泊松比對比

圖9　B、D面泊松比對比

3.5典型荷載軸向變形曲線對比

典型荷載—位移曲線對比見圖10.由圖10可看出，沿3個方向的破壞過程類似，均經歷彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和破壞階段；但是對于破壞階段，順紋方向受壓破壞和兩橫紋方向受壓破壞有區(qū)別.順紋方向的破壞階段可以分為荷載下降階段、荷載殘余階段，荷載軸向變形曲線在變形為4 mm左右進入下降段；兩橫紋方向的破壞階段荷載雖有下降，但較少，且隨著加載的繼續(xù)，變形增加明顯，荷載降低很少或基本保持不變.兩橫紋方向的試件，一直到加載結束都沒出現(xiàn)明顯下降段.另外，順紋荷載軸向變形曲線彈性階段的斜率最大，橫紋Ⅱ對應的斜率其次，橫紋Ⅰ對應的斜率最??；同樣荷載增量下，順紋方向產生的變形最小，橫紋Ⅱ其次，橫紋Ⅰ最大，這說明順紋方向的彈性模量最大，橫紋Ⅱ其次，橫紋Ⅰ最小，同實測結果保持一致.

圖10　典型荷載-位移曲線對比

4結論

(1)沿3個方向的受壓破壞過程均經歷彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和破壞階段.順紋方向受壓破壞階段還可分為荷載下降階段、荷載殘余階段；對于兩個橫紋方向，破壞階段荷載雖均有下降，但下降較少，且隨著加載的繼續(xù)，變形增加明顯，荷載降低很少或基本保持不變.

(2)整體上講，沿著3個方向加載，試件的最終破壞形態(tài)比較接近，均為強度破壞，都出現(xiàn)沿對角線方向的主裂縫.

(3)順紋方向的實測抗壓強度、彈性模量和泊松比值最大，但是順紋方向數(shù)據(jù)的離散性較大；橫紋方向Ⅰ的抗壓強度稍大于橫紋方向Ⅱ的抗壓強度，但是橫紋方向Ⅱ的彈性模量和泊松比均比橫紋方向Ⅰ對應的值要大.

(4)基于試驗結果，給出了各個方向抗壓強度、彈性模量和泊松比相互之間對應的關系.

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Comparison Study on Parallel Bamboo Strand Lumber under Axial Compression for Different Directions Based on the Large Scale

LI Haitao1, SU Jingwen1, WEI Dongdong2, ZHANG Qisheng1, CHEN Guo1

(1.School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2.Jianxi Feiyu Bamboo Industry Group co., LTD, Fengxin 330700, China)

Abstract:In order to investigate the axial compression damage mechanism and the relationship between the test parameters for three directions, the experimental study on parallel bamboo strand lumber (PBSL) based on the large scale was conducted in this paper. The axial compressive failure for the PBSL belongs to the ductile damage. Except for the different damage stage, the whole failure process for specimens along three directions are similar with each other and can be divided into four stages: elastic stage, elastic-plastic stage, plastic stage and failure stage. The final failure mode for the three directions are similar with each other which is the main crack appeared along the diagonal. With large discreteness, the compressive strength, modulus of elasticity and Poisson’s ratio for the parallel to grain direction are biggest among three directions. The compressive strength for the perpendicular to grain direction Ⅰ is bigger than that for Ⅱwhile the modulus of elasticity and Poisson's ratio for direction Ⅰ is smaller than that for Ⅱ. Based on the test analysis of the results, the relationship between the compressive strength, modulus of elasticity and Poisson’s ratio for three main directions were proposed for the PBSL under axial compression.

Key words:PBSL; axial compression; damage mechanism; compressive strength; modulus of elasticity; Poisson’s ratio

中圖分類號：TU398

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201412053

作者簡介:李海濤(1982—)，男，河南臨潁人，南京林業(yè)大學副教授，博士后，主要從事竹木結構.混凝土結構、復合材料結構等相關研究工作，E-mail：lhaitao1982@126.com．

基金項目：教育部博士點基金資助項目(20123204120012)；住建部科技資助項目(2014k4023)；江蘇省住建廳科技項目(JS2012ZD34)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

收稿日期:2014-12-29；

修訂日期：2015-04-19

文章編號:1671-6833(2016)02-0067-06

引用本文：李海濤，蘇靖文，魏冬冬，等.基于大尺度試件重組竹各向軸壓力學性能研究[J].鄭州大學學報(工學版)，2016,37(2):67-72．