竹筋組合空心板制作與力學(xué)試驗(yàn)研究

謝興華，陳 強(qiáng)，包燕敏，沈 搏，楊 凌

(湖南城市學(xué)院 土木工程國(guó)家級(jí)試驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖南 益陽(yáng) 413000)

1 竹板材的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

竹材的抗拉強(qiáng)度約為木材的2倍，抗壓強(qiáng)度約為木材的1.5倍，竹材的比強(qiáng)度高于木材和普通鋼材[1]。因此，竹材不僅有代替一部分木材產(chǎn)品資源的基礎(chǔ)，還有著足以代替木材的力學(xué)性能。

在目前市場(chǎng)上，較成熟的竹材改性產(chǎn)品以竹材人造板為主，其厚度一般為2 cm左右，無(wú)法直接跨越較大跨度或作為豎向承重構(gòu)件，而目前生產(chǎn)較厚的竹板材仍受到生產(chǎn)工藝上的限制，并且實(shí)心截面構(gòu)件不利于充分發(fā)揮竹材較高的強(qiáng)度。由此研究一種竹筋組合空心板是非常必要的。

在竹板材的研究中，倪林[2]研究了環(huán)氧樹(shù)脂、間苯二酚膠粘劑、酚醛樹(shù)脂對(duì)竹層板的膠合性能的影響;引入膠接界面應(yīng)力模型,分析了膠接界面的應(yīng)力、應(yīng)變分布;研究了溫度和水分對(duì)膠接性能的影響。關(guān)明杰等[3]對(duì)比了楊木重組木和毛竹重組竹的抗彎彈性模量和靜曲強(qiáng)度，研究了強(qiáng)度、彈性模量與密度的相關(guān)性，探索了竹木結(jié)合制成的竹木重組材作為結(jié)構(gòu)用材的可行性。趙章榮等[4]研究了搭接膠合竹片的膠合能力及碳化處理和未經(jīng)碳化處理竹片抗拉能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)碳化處理竹片膠結(jié)能力比未經(jīng)過(guò)碳化有所提高。郎健珂等[5]為解決木材利用率低、成本高的問(wèn)題,提出了一種以零碎短木粘結(jié)竹集成而成的竹-短木組合梁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明竹-短木組合梁替代木梁,在小跨度木結(jié)構(gòu)工程中具有應(yīng)用價(jià)值。肖波等[6]將原生態(tài)的竹筋板與木方(板)通過(guò)竹筋板-木方(板)-竹筋板的方式組合拼接制作了一種竹木組合板，試驗(yàn)表明在小變形階段,竹筋實(shí)木組合板撓度、應(yīng)變隨荷載的增長(zhǎng)成線性變化,且應(yīng)變符合平截面假定。

1.1 試驗(yàn)材料

1)竹筋板、竹筋條:購(gòu)自湖南益陽(yáng)桃花江竹業(yè)有限公司，尺寸為長(zhǎng)2 200 mm×寬600 mm，厚度為4 mm。竹筋條尺寸為長(zhǎng)2 200 mm×寬20 mm，厚度為4 mm，含水率均在12%左右。

2)粘結(jié)材料：雙組分水基粘合劑，膠與固化劑的比例為20∶1。

1.2 試驗(yàn)竹板結(jié)構(gòu)

竹筋組合空心板的尺寸長(zhǎng)為2 000 mm×寬600 mm，厚度為52 mm左右。主要構(gòu)造為上下兩塊竹筋板以及中間竹筋條以網(wǎng)格方式搭接(見(jiàn)圖1)。

圖1 竹筋組合空心板構(gòu)造圖(單位：mm)

1.3 產(chǎn)品制作要點(diǎn)

1)選取優(yōu)質(zhì)竹筋板，并且要求竹筋板、條厚度調(diào)至0.1 mm/m以?xún)?nèi)。

2)將竹筋條切割成相應(yīng)規(guī)格的竹筋條并將兩端打磨平整。

3)粘結(jié)基層保持干凈整潔。膠水與固化劑混合后需充分?jǐn)嚢?～5 min，直至均勻。膠水調(diào)制完后，須在1～2 h內(nèi)用完。涂膠應(yīng)均勻，參考涂膠量200～300 g/m2，涂膠后宜晾置2～4 min后再進(jìn)行加壓固定。

4)在竹筋板上層鋪上一排傳壓板，將砝碼置于傳壓板上以確保壓力均衡。砝碼共計(jì)10個(gè)，每個(gè)25 kg。用尺寸為長(zhǎng)120 mm×寬40 mm的竹筋塊將側(cè)面填堵嚴(yán)實(shí)。

5)將制作完成的組合板靜置于干燥，溫度適宜的地方養(yǎng)護(hù)3天。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

測(cè)出竹筋組合空心板所能承受的最大荷載;1/4、3/4跨及跨中應(yīng)變和擾度和1/4、3/4跨及跨中應(yīng)變、撓度與荷載大小的關(guān)系;以及觀察板的變形情況。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

加載設(shè)備：25 kg砝碼若干個(gè)；測(cè)量設(shè)備：電阻應(yīng)變片、靜態(tài)；電阻應(yīng)變儀、百分表、磁性表座等。

2.3 試驗(yàn)步驟

1)粘貼應(yīng)變片以及按編號(hào)連接導(dǎo)線，安裝設(shè)備和試件(詳見(jiàn)圖2～3)。

注：圖中粗線條表示應(yīng)變片

圖3 加載裝置及加載范圍示意圖(單位：cm)

2)在1/4、1/2、3/4跨對(duì)應(yīng)位置安裝百分表。

3)用砝碼(25 kg)預(yù)加一個(gè)均布荷載，觀察儀表是否正常工作，然后卸去荷載，排除故障，儀表重新歸零或記錄初讀數(shù)。

4)正式加載試驗(yàn):每級(jí)荷載為一個(gè)砝碼(25 kg)，每級(jí)荷載停留 5 min 后讀取荷載、1/4、3/4 及跨中撓度和應(yīng)變值并做記錄并觀察板的變形情況。卸載,每次卸載停留 5 min 后讀取荷載、1/4、3/4 及跨中撓度和應(yīng)變值并作記錄。

圖2為應(yīng)變片位置圖，圖3為加載裝置及加載范圍示意圖。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

A1板與A2板荷載-應(yīng)變關(guān)系圖見(jiàn)圖4，由圖4可知，竹筋組合空心板在小形變階段，竹筋組合空心板加載過(guò)程的撓度變化曲線的斜率基本上保持不變，即撓度隨跨中荷載基本成正比，則說(shuō)明在小變形階段竹筋組合空心板處于彈性階段。卸載后竹筋組合空心板的殘余變形小，由此可知竹筋組合空心板具有良好的彈性。

圖4 A1板(左)與A2板(右)荷載-應(yīng)變關(guān)系圖

A1板與A2板跨中截面應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖5，由圖5可知，竹筋組合空心板跨中橫截面沿高度在小變形階段每級(jí)荷載壓應(yīng)變與拉應(yīng)變成直線，中性軸位置不變，由此可得出竹筋組合空心板小變形階段基本符合平截面假定。

圖5 A1板(上)與A2板(下)板跨中截面應(yīng)變變化規(guī)律

4 結(jié) 論

為了探索竹筋組合空心板的受力特性，本文通過(guò)竹筋組合空心板受彎性能試驗(yàn)，對(duì)竹筋組合空心板的荷載撓度關(guān)系、跨中截面沿高度應(yīng)變變化情況進(jìn)行分析。最終得到如下結(jié)論。

1)竹筋組合空心板在小變形階段，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，板處于彈性階段，具有良好彈性。

2)竹筋組合空心板小變形階段基本符合平截面假定。

3)竹筋組合空心板的結(jié)構(gòu)提高了竹資源的利用率，其次空心結(jié)構(gòu)可填充隔熱材料，使其具有良好的隔熱性能。

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