竹筋實(shí)木組合空心柱的制作與力學(xué)性能試驗(yàn)

沈 搏，陳 強(qiáng)，譚 聰，俞 靜，包燕敏

(湖南城市學(xué)院土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖南 益陽(yáng) 413000)

0 前 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)于環(huán)境的保護(hù)、提倡低碳環(huán)保建筑，于是專家學(xué)者們開(kāi)始尋找新型的綠色建材。徐濟(jì)德[1]的研究表明我國(guó)具有豐富的竹材、木材資源。竹材具有抗拉強(qiáng)度高、生長(zhǎng)周期快、再生能力強(qiáng)、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)對(duì)于竹子材料物理力學(xué)性能的研究比較多，但是對(duì)竹木組合結(jié)構(gòu)的研究還很少。原竹結(jié)構(gòu)柱抗壓強(qiáng)度低，不適合作為承重構(gòu)件；實(shí)木柱整體強(qiáng)度偏低，木質(zhì)結(jié)構(gòu)柱采用實(shí)心柱，柱重且隔音、隔熱效果差；原木柱用材規(guī)格太高，原生態(tài)長(zhǎng)和粗的原木取材難、價(jià)格昂貴，現(xiàn)有原木難以滿足工程要求。

竹木組合結(jié)構(gòu)能同時(shí)發(fā)揮竹材的強(qiáng)抗拉性能和木材的抗壓性能。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將竹筋與組合柱膠合，組合成竹筋實(shí)木組合空心柱。制作過(guò)程主要包括木柱材料的選材、材料的切割加工、空心柱的拼接、干燥和保養(yǎng)、毛竹加工、拼接空心柱、綁扎竹筋。通過(guò)無(wú)醛化學(xué)膠結(jié)料，將不同長(zhǎng)度的實(shí)木塊膠合成實(shí)木空心圓筒，將實(shí)木空心圓柱毛坯表面打磨處理，再在打磨處理實(shí)木空心圓柱表面涂膠纏繞竹筋材料。

竹筋實(shí)木組合空心柱充分利用原生態(tài)原木與竹筋，創(chuàng)造出一種自重輕，抗震性能好、節(jié)能、綠色、環(huán)保、隔音、隔熱、經(jīng)濟(jì)的建筑材料。能有效降低人們對(duì)化學(xué)石油材料的過(guò)分依賴，實(shí)現(xiàn)了零排放，既有利于改善人的生活環(huán)境，又促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展，能帶來(lái)良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞此問(wèn)題進(jìn)行了各式各樣的試驗(yàn)研究與大膽設(shè)想：郎建珂、陳強(qiáng)、王解軍等[2]制作了竹-短木組合梁并進(jìn)行試驗(yàn)研究；劉圣賢、陳強(qiáng)、劉孫昆、時(shí)新濤、張慧、范軍、譚聰?shù)萚3]對(duì)竹筋實(shí)木組合板進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作和試驗(yàn)；沈玉蓉[4]對(duì)竹(木)梁、柱做了非彈性分析；周華樟、祝恩淳、周廣春等[5]仔細(xì)研究了膠合木曲梁橫紋應(yīng)力情況，并對(duì)應(yīng)縣木塔作了精細(xì)化有限元分析的研究；孫玲玲[6]進(jìn)行了重組竹順紋單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究，明確重組竹材具有優(yōu)越的抗拉性能。

王倩[7]進(jìn)行了落葉松膠合木柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究，選取分布廣泛的東北落葉松為原材料、間苯二酚為膠黏劑制造膠合木構(gòu)件,進(jìn)行橫紋抗壓、順紋抗壓、分級(jí)循環(huán)加載試驗(yàn),研究其抗壓及延性性能,并推導(dǎo)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力分布公式,最后應(yīng)用ANSYS有限元建模分析，得出了橫紋抗壓與順紋抗壓均屬塑性破壞；橫紋抗壓塑性階段較長(zhǎng)且應(yīng)力幾乎無(wú)變化,順紋抗壓塑性階段較短且應(yīng)力突然變??；橫紋分析抗壓橫紋抗壓極限承載力明顯低于順紋抗壓。應(yīng)用ANSYS有限元建模分析得出軸壓時(shí)順紋方向應(yīng)力、應(yīng)變分布均勻,橫紋方向從形心向邊界逐漸增加。

2 試件材料及其制作

2.1 材料準(zhǔn)備

1)竹材：選用由湖南省益陽(yáng)市生產(chǎn)的毛竹，由4～6年生的毛竹經(jīng)過(guò)加工，規(guī)格為nmm×10 mm×1 mm(n根據(jù)綁扎要求確定，此次試驗(yàn)n為1)，密度為0.800 g/cm3，含水率為12%，竹條順紋軸拉強(qiáng)度平均值分別為185.14 MPa，竹青條竹黃條材料強(qiáng)度見(jiàn)圖1，由實(shí)驗(yàn)易得竹青材料強(qiáng)度為竹黃的1.76倍。

2)木材：選用樟子松，截面尺寸根據(jù)空心模具大小加工能放進(jìn)模具為標(biāo)準(zhǔn)系列實(shí)木方，長(zhǎng)度10～100 cm，其密度為432 kg/m3，含水率12%，彈性模量6622 MPa。

3)膠結(jié)材料：采用無(wú)醛木工膠，頂力無(wú)醛木工膠800特效型拼接膠。

2.2 尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)工程需要，滿足安全、經(jīng)濟(jì)、適宜、美觀的前提下選擇合適空心柱尺寸，本文采用的是竹筋實(shí)木組合空心柱尺寸見(jiàn)圖2。

圖1 竹青、竹黃強(qiáng)度對(duì)比

圖2 空心木柱尺寸

2.3 制作過(guò)程

1)毛竹加工成順著纖維方向排列，做成厚1 mm的長(zhǎng)條，長(zhǎng)度按工程要求設(shè)置，寬度10 mm竹筋材。

2)根據(jù)工程柱結(jié)構(gòu)大小，雙層空心模具要求，將零碎實(shí)木方放入模具的夾層中，利用膠結(jié)料指接膠合成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度實(shí)木空心圓筒，雙層空心模具為一定標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的兩種規(guī)格，直徑大小按滿足工程要求設(shè)置。

3)將拆模后膠結(jié)形成一定長(zhǎng)度、厚度的實(shí)木空心圓筒，選擇相同大小的實(shí)木空心圓筒拼接成一定長(zhǎng)度的實(shí)木空心圓柱毛坯，拼接過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 拼接過(guò)程實(shí)物圖

4)將實(shí)木空心圓柱毛坯在加工機(jī)械上進(jìn)行表面打磨處理，再以打磨處理后的實(shí)木空心圓柱為母胎固定在旋轉(zhuǎn)加工機(jī)械上，再順時(shí)和逆時(shí)兩個(gè)方向上螺旋纏繞竹筋，利用膠結(jié)料形成竹筋實(shí)木組合空心圓柱。如圖4。

圖4 最終成品實(shí)物圖

3 試驗(yàn)概況

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置

本次短柱試驗(yàn)加載設(shè)備選用湖南城市學(xué)院土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心液壓機(jī)數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)YES-5000，應(yīng)變數(shù)據(jù)采用程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 XL2001C采集，位移數(shù)據(jù)通過(guò)精度0.01 mm數(shù)顯百分表采集。

3.2 電阻應(yīng)變片粘貼位置

軸心壓桿側(cè)向撓度的測(cè)定,在空心柱縱向中心位置按照四等分的位置A、B、C、D放置百分表。

縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的測(cè)定，在空心柱縱向1/4、1/2、3/4處按照?qǐng)A周6等分，粘貼縱向和橫向應(yīng)變片，縱向應(yīng)變片應(yīng)該在空心柱的軸線上面，橫向應(yīng)變片要在空心柱的橫截面上。應(yīng)變片的位置見(jiàn)圖5。

圖5 應(yīng)變片以及百分表放置位置示意

3.3 加 載

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2012)軸心壓桿試驗(yàn)。在正式加載之前,應(yīng)對(duì)安裝好的試驗(yàn)柱進(jìn)行預(yù)加F1,預(yù)加荷載值F1可取估計(jì)破壞荷載的1/15～1/20，用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)應(yīng)變值ε,再加荷載到F1,后測(cè)相應(yīng)的應(yīng)變值ε1,然后卸荷到F1,反復(fù)進(jìn)行5次,隨即以均勻的速度逐級(jí)加載至試件破壞,每級(jí)荷載為ΔF,并讀出各級(jí)荷載下的應(yīng)變值與側(cè)向形變值。

本實(shí)驗(yàn)預(yù)估破壞荷載為1 100 kN，正式加載前對(duì)試件先進(jìn)行15 kN的預(yù)加載,反復(fù)進(jìn)行5次,觀察每次測(cè)試的應(yīng)變值是否均勻、穩(wěn)定。完成預(yù)加載后卸載至0后以0.2 mm/min的速度勻速加載至試件破壞。每加載20 kN記錄一下靜態(tài)應(yīng)變儀相應(yīng)受力狀態(tài)下應(yīng)變值和百分表的讀數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)試驗(yàn)機(jī)加載到最大荷載后回退到極限荷載的85%或在此之前試件材料斷裂，即認(rèn)為試件喪失承載能力而達(dá)到破壞。實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 加載過(guò)程圖

4 試驗(yàn)對(duì)比

由試驗(yàn)可得，實(shí)木組合木柱和竹筋實(shí)木組合木柱的破壞形態(tài)主要是整體壓屈破壞，在荷載達(dá)到極限荷載約85%時(shí)，都有著側(cè)向位移迅速增大的情況出現(xiàn)。實(shí)木組合木柱的抗壓承載力最低為940 kN，最高為1 100 kN。

試件樣本標(biāo)準(zhǔn)差：

樣本平均標(biāo)準(zhǔn)差：

試驗(yàn)變異系數(shù)：

極限荷載強(qiáng)度：

實(shí)木組合柱與竹筋實(shí)木組合柱抗壓荷載見(jiàn)圖7。

圖7 實(shí)組合木柱與竹筋實(shí)木組合木柱荷載對(duì)比

竹筋實(shí)木組合木柱的最低值為1 097 kN，最高值為1 140 kN，由上式得試件樣本標(biāo)準(zhǔn)差為24.00，樣本平均標(biāo)準(zhǔn)差為13.86，試驗(yàn)變異系數(shù)為0.02，極限荷載強(qiáng)度為1 112.33 kN。

將實(shí)木組合木柱和竹筋實(shí)木組合木柱的極限荷載進(jìn)行對(duì)比，能夠明顯地看到加入竹筋的組合木柱較實(shí)木組合木柱在極限荷載方面有了較大的提升，極限承載力提升了約11.6%，可以認(rèn)為此次試驗(yàn)滿足了要求，也驗(yàn)證了竹筋實(shí)木組合木柱的制作方法能夠明顯地提升木柱的承載力。

5 試驗(yàn)結(jié)論

1)竹筋和木材粘貼在一起能夠共同工作，竹木組合材料具有良好的復(fù)合力學(xué)效應(yīng),能夠充分發(fā)揮竹材抗拉性能和木材厚實(shí)和承重性能。

2)竹筋實(shí)木組合空心柱具有優(yōu)良的承載能力，與實(shí)木組合空心柱原木柱比較，承載力提高了5%。

3)對(duì)驗(yàn)算木柱結(jié)構(gòu)的承載能力具有指導(dǎo)意義，可為實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒意義。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了利用小木柱進(jìn)行竹筋實(shí)木組合空心柱設(shè)計(jì)，其不僅滿足承載力要求，同時(shí)外形美麗大方，達(dá)到了結(jié)構(gòu)與造型合理組合的目的。解決了大型實(shí)木用料不足和尺寸小的木材不能用作木結(jié)構(gòu)建筑中的結(jié)構(gòu)柱的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中木結(jié)構(gòu)生產(chǎn)具有一定借鑒意義。