不同截面形式重組竹柱軸心受壓試驗(yàn)研究

肖忠平，李 晨，蘇相宇

國家大力發(fā)展裝配式建筑，而竹木結(jié)構(gòu)建筑也正屬于這一范疇，竹材和木材都是可再生資源，竹材具有生長周期短、伐后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，并且碳儲存能力也超過木材。近年來，隨著世界木材資源的日漸匱乏，合理有效地利用竹材資源變得越來越重要。重組竹是一種將竹材重新組織并加以強(qiáng)化成型的竹質(zhì)新材料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他的木材人造板和普通竹材人造板，目前已經(jīng)應(yīng)用在房屋、橋梁結(jié)構(gòu)中［1-4］，高校、研究所以及從事竹木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)的企業(yè)也開展了相關(guān)重組竹結(jié)構(gòu)方面的研究，主要集中在重組竹材性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)幾個方面［5-11］。在竹結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中主要針對梁構(gòu)件，少數(shù)針對柱構(gòu)件。劉學(xué)［12］采用慈竹竹簾膠合板制作方形結(jié)構(gòu)柱，通過等邊角鋼采用螺栓將翼緣板和腹板連接，在翼緣板兩側(cè)通過薄型竹膠合板進(jìn)行固定，然后對其進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)表明，竹質(zhì)工字型結(jié)構(gòu)柱翼緣板與腹板均出現(xiàn)側(cè)向彎曲，加載后期翼緣板與腹板變形均出現(xiàn)恢復(fù)，并且變形最大處為柱翼緣板與腹板中部，變形最小處為兩端簡支點(diǎn)位置。柱翼緣板由于局部受壓發(fā)生破壞，柱側(cè)向變形較小，整體穩(wěn)定性較高，并且軸向壓力作用下軸向壓縮量較小，抗壓性能較優(yōu);張?zhí)K俊［13］等對4根重組竹方形實(shí)心柱的軸心受壓研究表明，實(shí)心柱軸心受壓時的破壞形態(tài)為彎曲屈曲型整體失穩(wěn)，并且在彈性范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)強(qiáng)度破壞;魏洋［14］等對6根不同偏心距的重組竹柱進(jìn)行的偏心受壓試驗(yàn)表明，對應(yīng)峰值載荷時，重組竹柱偏心受壓試件的竹材壓應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸心受壓試件，蘇靖文［15］等對重組竹實(shí)心柱軸心受壓的力學(xué)性能也進(jìn)行了研究。可見，在重組竹構(gòu)件的研究中，主要是針對實(shí)心柱，雖然劉學(xué)［12］對工字型結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行了研究，但所用材料為竹簾膠合板，非重組竹。

重組竹的密度達(dá)到 1.1 g·cm－3，重量大，現(xiàn)場施工不方便，同時，每立方米重組竹成本達(dá)到5 000多元。能否采用不同結(jié)構(gòu)形式的重組竹柱，減少重組竹的用量，減少施工難度，降低成本，本研究制作了5組重組竹實(shí)心柱、空心箱型柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，研究不同截面形式柱的抗壓承載力特性、破壞模式等，為竹結(jié)構(gòu)建筑柱形式的選擇與設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試件設(shè)計

試驗(yàn)構(gòu)件采用的重組竹的物理力學(xué)性能為:含水率 8.7%，密度 1.11 g·cm－3，彈性模量 6 997.6 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度82 MPa。實(shí)心柱試件柱身截面為100 mm×100 mm，試件長度1 000 mm。內(nèi)加隔板增強(qiáng)型箱型柱尺寸以及內(nèi)加隔板位置見表1，重組竹空心柱采用四板膠合制作。

表1 重竹柱截面尺寸Table 1 Sectional dimension of glued laminated bamboo column

1.2 裝置及方法

試驗(yàn)加載及測試根據(jù)GB/T 50329-2012進(jìn)行，試驗(yàn)加載裝置采用2 000 kN液壓式壓力傳感器和YAJ-5000微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向加載進(jìn)行靜力加載，在試件的上下兩端安裝刀鉸，通過紅外水準(zhǔn)儀進(jìn)行對中矯正。試驗(yàn)前，為測試重組竹柱在受力狀態(tài)下的應(yīng)變發(fā)展情況，研究不同截面形式的重組竹柱的破壞特點(diǎn)及受力過程中應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，在試件上布置應(yīng)變片，布置位置為柱的4個側(cè)面中間處沿豎向和橫向。圖1中沿柱的高度方向兩側(cè)均等間距布置5個橫向位移計，豎向布置1個位移計，測試加載過程中重組竹柱的變形特征。在試驗(yàn)加載前期荷載按每級5 kN逐級加載，當(dāng)荷載達(dá)到40 kN后，加載等級調(diào)整為按每級10 kN加載直至試件失效破壞，加載過程中加載速度保持為2 mm·min－1。

圖1 試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Test setup of column

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形式

2.1.1 重組竹實(shí)心柱 重組竹實(shí)心柱破壞模式見圖2，加載初期重組竹實(shí)心柱柱中撓度和應(yīng)變隨著荷載的增加而呈線性趨勢增大，此時處于彈性階段，支座處幾乎沒有位移，可忽略不計。繼續(xù)加載，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時，重組竹實(shí)心柱出現(xiàn)明顯的變形，構(gòu)件向一側(cè)彎曲，柱中輕微開裂;隨著荷載繼續(xù)增大，構(gòu)件變形愈發(fā)明顯，最后出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

圖2 實(shí)心柱破壞形式Fig.2 Failure models of glulam bamboo solid columns

2.1.2 重組竹空心柱 重組竹空心柱破壞模式見圖3，加載初期重組竹實(shí)心柱柱中撓度和應(yīng)變隨著荷載的增加而呈線性趨勢增大，此時處于彈性階段，支座處幾乎沒有位移，可忽略不計。當(dāng)荷載加載至300 kN左右時，重組竹空心柱表面雖然沒有出現(xiàn)明顯的破壞，但伴隨有輕微的撕裂響聲。加載中期，當(dāng)荷載增大到380 kN左右時，可以聽到較大的響聲，柱中位置開始出現(xiàn)輕微開裂，隨著荷載的增加，柱的撓度越來越大。加載后期，當(dāng)荷載增大到435 kN左右時，肉眼能觀察到空心柱發(fā)生極大撓曲。此時，重組竹空心柱上下兩端端部出現(xiàn)明顯裂縫，構(gòu)件兩端壓潰破壞，指接處也發(fā)生鋸齒狀斷裂。

圖3 重組竹空心柱破壞形式Fig.3 Failure models of glulam bamboo hollow columns

2.2 重組竹柱荷載-撓度曲線

圖4 為重組竹實(shí)心柱和空心柱試件柱中的荷載-位移曲線。試驗(yàn)加載前期，2種形式柱跨中變形均隨荷載增加而增大，并且為線性增長，說明此時2種形式柱均處于彈性階段;荷載繼續(xù)增加，實(shí)心柱荷載達(dá)到420 kN，空心柱荷載達(dá)到388 kN時，2種形式柱荷載-變形曲線斜率呈現(xiàn)減小的趨勢，進(jìn)入塑性階段;荷載繼續(xù)增大后，實(shí)心柱荷載達(dá)到470 kN，空心柱荷載達(dá)到412 kN，二柱均發(fā)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)入破壞階段，實(shí)心柱極限荷載為空心柱的1.14倍，結(jié)合上述2種形式柱的破壞形式可發(fā)現(xiàn)破壞形式均為塑性破壞。根據(jù)試驗(yàn)所得各柱荷載-撓度數(shù)據(jù)計算重組竹柱的位移延性系數(shù)(最大位移和屈服位移的比值)，重組竹實(shí)心柱的延性系數(shù)為1.66，空心柱的延性系數(shù)為1.53，說明重組竹實(shí)心柱的延性較好。

圖4 重組竹柱荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of glulam bamboo columns

2.3 跨中截面應(yīng)變變化規(guī)律分析

圖5 為試驗(yàn)所得柱中截面在不同荷載等級下的應(yīng)變情況。柱中應(yīng)變在加載初期隨著截面高度的增大而上升，呈線性變化，柱四側(cè)截面應(yīng)變基本相同，此時2種形式柱均處于彈性階段;隨著荷載的增加，截面各部位應(yīng)變發(fā)展迅速，當(dāng)實(shí)心柱荷載增大到422 kN，空心柱荷載增大到388 kN后，試件開始出現(xiàn)明顯的彎曲變形，進(jìn)入塑性階段。柱四側(cè)截面應(yīng)變開始出現(xiàn)較大差異，D面由于柱彎曲變形，為受壓側(cè)，壓力增加速度變快，應(yīng)變發(fā)展速度也最為迅速，最后破壞時實(shí)心柱應(yīng)變超過12 000 με，空心柱應(yīng)變超過7 500 με;A、C面由于構(gòu)件變形應(yīng)變也增大較快，最后破壞時實(shí)心柱應(yīng)變超過8 000 με，空心柱應(yīng)變超過5 000 με;B面為受拉側(cè)，進(jìn)入塑性階段后，應(yīng)變反而減小，直至破壞。

2.4 理論分析

由于目前重組竹結(jié)構(gòu)還沒有具體規(guī)范，依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對重組竹柱進(jìn)行理論值計算(表2)。

表2 重組竹柱承載力Table 2 Bearing capacity of glued laminated bamboo column

由表2可知，重組竹實(shí)心柱與空心柱試驗(yàn)值與依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》理論計算值吻合較好，說明《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對重組竹柱的設(shè)計具有一定參考作用。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

表3為實(shí)心柱與空心柱的用料比值及承載力比值，可以看出空心柱的承載力相比于實(shí)心柱相差并不是很大，并且材料用量減少，說明重組竹空心柱可以在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，并且重量輕、便于施工。

表3 重組竹實(shí)心柱與空心柱對比Table 3 The comparison of hollow column and solid column

圖5 重組竹柱荷載－應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curves of glulam bamboo columns

3 結(jié)論與討論

重組竹實(shí)心柱破壞模式為失穩(wěn)破壞，并柱中出現(xiàn)輕微開裂;重組竹空心柱破壞模式同樣為失穩(wěn)破壞，并且上下兩端端部出現(xiàn)明顯裂縫，構(gòu)件兩端壓潰破壞，指接處也發(fā)生鋸齒狀斷裂。

重組竹實(shí)心柱極限荷載為空心柱的1.11倍，實(shí)心柱的延性系數(shù)為1.66，空心柱的延性系數(shù)為1.53，說明重組竹實(shí)心柱的承載力和延性更優(yōu)。

重組竹實(shí)心柱與空心柱試驗(yàn)值與依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》理論計算值吻合較好，說明《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對重組竹柱的設(shè)計具有一定參考作用。

空心柱的承載力相比于實(shí)心柱相差并不是很大，能滿足承載力要求，并且材料消耗更少，重量輕，便于施工，能夠應(yīng)用在竹結(jié)構(gòu)建筑中。但是由于空心柱的箱型結(jié)構(gòu)，在梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計時，是否還能與實(shí)心柱一樣采用角鋼和螺栓的連接方式，這種連接是否對空心柱的抗剪承載力有影響，采用何種連接方式最可靠這些還需要進(jìn)一步的研究，以便保證重組竹空心柱在實(shí)際工程應(yīng)用中的安全性。