現(xiàn)代竹梁結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究概述

朱駿杰，馬靜文，曹明鑫，王曉歡，費本華，王雪花

（1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇南京210037；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院北京林業(yè)機械研究所，北京100028；3.國際竹藤中心，北京100081）

梁是建筑的重要組成部分，作為建筑物上部最為重要的構(gòu)件，承托了建筑上部架構(gòu)以及整個屋面的重量。現(xiàn)有建筑用梁多采用磚混及鋼混結(jié)構(gòu)，存在材料耗能高、污染大，廢棄后難以降解等問題，中國是竹類資源最豐富的國家，竹材具有強度高、可再生、可降解等特點，以竹材為基礎(chǔ)的竹材及竹質(zhì)復(fù)合工程材料符合當前發(fā)展綠色建筑的理念。通過復(fù)合、重組等技術(shù)制作的現(xiàn)代竹梁，解決了原竹壁薄中空、徑級小、不適于大規(guī)模應(yīng)用等問題，與混凝土結(jié)構(gòu)梁相比，竹質(zhì)梁生產(chǎn)過程能源消耗量小，產(chǎn)生的廢棄物容易降解，對環(huán)境較為友好，是混凝土結(jié)構(gòu)梁的理想替代材料。因此，對竹質(zhì)建筑構(gòu)件的研究重新成為科研及產(chǎn)業(yè)人員的關(guān)注熱點。

1 竹梁的主要結(jié)構(gòu)形式

建筑中，竹梁結(jié)構(gòu)形式主要包括梁柱結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)。

梁柱結(jié)構(gòu)是竹梁結(jié)構(gòu)形式中較為簡單的一種，其主要受到傳統(tǒng)建筑中抬梁式木結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響［1－3］。這一結(jié)構(gòu)中，建筑的壓力構(gòu)件需要使用抗壓強度較高的構(gòu)件，梁則需要抗彎強度優(yōu)良材料構(gòu)件來建構(gòu)。梁柱結(jié)構(gòu)適用于跨度較小的結(jié)構(gòu)，特點是可以靈活的分格空間、自由的進行平面布置（圖1）。現(xiàn)代建筑中比較有代表性的梁柱結(jié)構(gòu)建筑如Llona等設(shè)計的卡車餐廳（圖2），該建筑內(nèi)部空間被分割為不同的小的餐廳隔間，除了使用竹材之外，設(shè)計師在屋頂上還添加了一些鋼條，竹梁、竹柱、鋼條均采用螺栓和捆綁固定的連接方式以保證整個建筑的穩(wěn)定性。

圖2 卡車餐廳Fig.2 Truck restaurant

桁架結(jié)構(gòu)是以短而堅固的直線桿件組合成的三角形承載結(jié)構(gòu)（圖3），這一結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)材料的強度，適用于跨度較大的建筑物，而且可以有效的節(jié)省材料、減輕建筑物自身重量，具有良好的抗震性［4－5］?，F(xiàn)代建筑中，低碳技術(shù)生態(tài)建筑的代表人物之一哥倫比亞建筑師西蒙維列，是竹建筑的所設(shè)計的“零排放”展館是桁架結(jié)構(gòu)的代表（圖4），西蒙采用了竹桁架作為屋頂?shù)闹我云鸬搅旱淖饔茫寐菟ㄟB接的方式將各個竹桿組件連接在一起，以形成桁架結(jié)構(gòu)。

圖3 桁架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Truss structure schematic diagram

圖4 漢諾威博覽會“零排放”展館（ZERI）Fig.4 The ZERI at the Hannover Expo

拱形結(jié)構(gòu)是較為常見的一種結(jié)構(gòu)，外觀上呈曲線狀（圖5），通過火烤的方式讓原竹彎曲，然后通過綁扎、水冷等方式進行冷卻定型，形成拱結(jié)構(gòu)，承托起整個屋頂以起到梁的作用。原竹彎曲韌性好，是制作拱形構(gòu)件的理想材料。越南設(shè)計師武重義所設(shè)計的納曼度假村會議廳是拱形結(jié)構(gòu)的代表，會議廳（圖6）是納曼度假村首批開放的建筑，該結(jié)構(gòu)通過捆綁、竹榫和繩索連接等方式將多根彎曲的竹子固定在一起，利用竹子的彈性進行火燒彎曲，讓兩側(cè)彎曲的竹子呈拱形，創(chuàng)造出高9.5 m，跨度13.5 m的空間。

圖5 拱形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Arched structure schematic diagram

圖6 納曼度假村會議廳Fig.6 Conference hall of Naman Resort

2 竹梁構(gòu)件力學(xué)性能研究

竹梁的力學(xué)性能指標主要包括撓度、剪跨比、延性、抗彎承載力、剛度等，一般是通過試驗測試和數(shù)值模擬等方法進行分析?，F(xiàn)代竹梁所使用的材料，除了傳統(tǒng)的原竹以外，一些竹質(zhì)人造材料如：重組竹、膠合竹、竹集成材、竹層積材也成為竹梁常用材料。通過竹材與其他材料優(yōu)化組合構(gòu)成竹質(zhì)復(fù)合材料，可使各材料間性能互補以獲得更高的綜合性能，常見如竹材與木材、竹材與金屬、竹材與混凝土復(fù)合竹梁。對竹梁局部進行增強復(fù)合，亦可有效提高竹梁的力學(xué)性能，根據(jù)增強材料不同，有碳纖維增強竹梁、芳綸纖維增強竹梁、玄武巖增強竹梁等。

2.1 重組竹梁

重組竹是將竹材疏解成疏松網(wǎng)狀纖維束，在通過干燥、施膠、組坯等工藝制成的新型人造竹材復(fù)合材料［6］。重組竹具有良好的力學(xué)性能，在受彎受壓時承載力較大，強重比甚至較鋼材大，十分適合作為梁的材料。

彎曲是梁構(gòu)件的主要受力形式，因單元材料構(gòu)成、承載形式等不同，重組竹梁承受彎曲載荷時可能出現(xiàn)底部竹纖維拉斷和中性軸附近層間剪切破壞（圖7）以及竹梁指接處的拉裂［7－8］（圖8）。重組竹梁纖維發(fā)生破壞的位置都是集中在受拉區(qū)，受壓側(cè)纖維并未發(fā)生破壞。因此，在實際的工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免重組竹梁的指接部位承受拉力，若不可避免，則應(yīng)采取相應(yīng)的補強措施。此外，剪跨比對于重組竹梁的破壞部位也有影響，比如剪跨比為5的梁，竹纖維的拉斷集中在跨中部位；剪跨比為3的梁，破壞的部位出現(xiàn)在加載點附近［9］。李頻［10］對重組竹梁的破壞過程進行研究，發(fā)現(xiàn)重組竹梁表現(xiàn)為延性破壞，竹梁破壞首先發(fā)生在竹梁下部，隨后向長度方向擴展，梁底部外層竹束先拉斷，之后底部竹束被橫向拉斷。該研究與周愛萍［11］得出的重組竹梁所具有漸進性破壞的特點，首先是上部纖維受壓，然后受拉區(qū)纖維之間發(fā)生破壞，最后梁下部纖維束拉斷的結(jié)論一致。

圖7 重組竹梁破壞形態(tài)［7］Fig.7 Destruction forms of strand bamboo beams

圖8 指接處被拉裂［8］Fig.8 Cracks in finger joint areas

圖9 彈性范圍內(nèi)載荷—撓度曲線圖［8］Fig.9 Load-deflection curve graph in flexible range

梁的力學(xué)性能指標主要通過荷載－撓度曲線獲得。張?zhí)K?。?］通過重組竹梁的載荷－撓度曲線發(fā)現(xiàn)隨著載荷逐漸增大，重組竹梁的跨中撓度成線性增加，且曲線走向與理論曲線一致，表明在彈性范圍內(nèi)，重組竹梁的撓度計算可采用材料力學(xué)公式。周愛萍［11］發(fā)現(xiàn)荷載－撓度曲線開始呈線性關(guān)系，但隨著裂紋的出現(xiàn)，荷載－撓度曲線逐漸偏離線性關(guān)系，將經(jīng)歷很長一段非線性階段。剪跨比對于梁的撓度也有影響，隨著剪跨比的增加，竹梁的跨中撓度減?。?2］。魏洋等［7］分析了彈性模量與抗彎強度的關(guān)系，建立了重組竹抗彎強度與彈性模量E的相關(guān)關(guān)系模型并發(fā)現(xiàn)重組竹梁抗彎強度由截面剛度控制。在截面的應(yīng)變方面，各種試驗都證明平截面假定對于重組竹受彎構(gòu)件是成立的；重組竹梁截面平均應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布、荷載－應(yīng)變關(guān)系基本可近似為線性變化。

2.2 竹集成材竹梁

竹集成材是將竹材加工成一定規(guī)格的矩形竹片，再通過三防處理（防腐、防霉和防蛀）、干燥、涂膠等工藝加工而成的材料［6］，其物理性能良好，強度大、剛度好、尺寸穩(wěn)定且變形小。

圖10 載荷—撓度曲線圖［11］Fig.10 Load-deflection curve graph

竹集成材梁的主要破壞形態(tài)主要有3種（圖11），分別為梁底部竹片指接處脆性拉斷、梁底部竹束膠合面斜向撕裂和梁底部竹纖維束逐漸拉斷，其中第2種和第3種破壞形態(tài)是竹梁比較理想的破壞形態(tài)，因為在這兩種破壞形態(tài)下，竹梁承載力下降比較慢，持續(xù)時間長，極限條件下可獲得比較長的逃生時間［13］。竹集成材梁之所以底部容易出現(xiàn)裂縫，是因為底邊緣處竹材纖維的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，易產(chǎn)生應(yīng)力集中［14］。應(yīng)力也是造成竹集成材梁整體破壞的主要原因，當竹梁長時間承受高水平應(yīng)力時，梁會產(chǎn)生過大的蠕變變形，而破壞［15］。在抗彎強度方面，竹集成材制作過程中涂膠量會對梁的抗彎強度產(chǎn)生影響，Lee等［16］設(shè)置了3種不同的涂膠量（220 g·m－2、320 g·m－2、420 g·m－2），結(jié)果表明，涂膠量420g／m2的梁的抗彎強度大于另外2組。撓度和剪跨比也是影響抗彎曲強度的因素，適當放寬撓度限值可以提高材料的強度利用程度；剪跨比增大時，竹梁承載力會下降［17］。

圖11 竹集成材梁破壞形態(tài)Fig.11 Destruction forms of laminated bamboo beams

2.3 膠合竹梁

膠合竹是將竹子截斷剖開，經(jīng)過高溫軟化處理后去除竹青、竹黃并成一定厚度的竹片，經(jīng)過干燥，定型、涂膠、組坯熱壓膠合而成［6］。其具有強度高，剛性好，變形小等特點。

膠合竹是由竹片膠合而成，不同膠粘劑和膠合方式對膠合竹梁的抗彎曲性能有所影響，Arijit等［18］對比了異氰酸脂樹脂和苯酚－間苯二酚甲醛兩種膠粘劑，發(fā)現(xiàn)用異氰酸脂樹脂作為膠粘劑，竹梁的強度和剛度更好。膠合竹梁的膠合方式一般有豎向膠合和水平膠合2種方式，Correa等［19］通過試驗對比兩種膠合方式對梁抗彎性能的影響，發(fā)現(xiàn)豎向膠合梁的彈性模量及斷裂模量大于水平膠合。通常來說，膠合梁是用矩形的竹片膠合而成［20－21］，但Mujiman等［22］嘗試使用曲邊的竹片膠合，對比了矩形竹片和曲邊竹片對膠合竹梁力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)由曲邊狀竹片膠合而成的梁的承載力、剛度及延性方都優(yōu)于矩形竹片膠合而成的梁。研究人員在膠合竹工字梁方面也進行了許多研究，發(fā)現(xiàn)膠合竹工字梁的破壞特征為脆性破壞、破壞形態(tài)為剪跨段腹板的隆起或纖維拉開，剪跨段腹板指接的開裂，跨中下翼緣指接的開裂（圖12）。由梁的破壞特征就可以看出，腹板和指接處是梁比較薄弱的部位，因此，若要提高膠合竹工字梁的抗彎強度，可以通過改變腹板所用竹篾的配置方向和數(shù)量、加強竹篾膠合強度來提高腹板的抗剪強度和抗拉強度，或者是在設(shè)計工字梁時，避免將指接頭設(shè)置在受拉翼緣處［23－24］。

圖12 膠合竹工字梁破壞形式［24］Fig.12 Destruction forms of glue laminated bamboo I-joists

2.4 竹層積材竹梁

竹層積材是用一定規(guī)格的竹篾，經(jīng)干燥、浸膠、組坯、加壓固化制作而成。

目前有關(guān)竹層積材梁的文獻比較少，主要研究文獻是如魏洋［25］關(guān)于竹層積材梁抗彎性能的研究，以判斷其是否適合做災(zāi)后安居房的材料。竹層積材梁的破壞性形態(tài)主要有4類，分別是梁底部纖維脆性拉斷、梁頂部竹篾層間受壓屈曲破壞、底部纖維分層逐漸拉斷和底部纖維斜向撕裂（圖13），其中后2種是較為理想的破壞形態(tài)，因為梁破壞過程較長、承載力下降緩慢。前2種破壞形態(tài)，破壞過程較快、承載力下降快，在實際工程中，可以通過提高壓制壓力和密度以提升竹層積材的均勻程度來避免這2種破壞形態(tài)。此外，研究得出竹積層材梁設(shè)計荷載實際是由截面剛度控制，平截面假定亦適用于竹層積材梁。

圖13 竹層積材梁破壞形態(tài)［25］Fig.13 Destruction forms of bamboo beams

2.5 復(fù)合材料竹梁

復(fù)合材料竹梁中，使用最多的是竹材與混凝土復(fù)合的竹梁，其中膠合竹與混凝土所復(fù)合的梁最為常見，竹材有優(yōu)秀的抗拉性，而混凝土具有優(yōu)秀的抗壓性，二者結(jié)合可以增強梁的抗彎性能。其次為竹材與木材的復(fù)合以及竹材與金屬的復(fù)合，特別是重組竹與型鋼和鋁板復(fù)合梁。

膠合竹－混凝土梁是由上部的混凝土板、下部的竹梁以及連接件構(gòu)成。王藝螢［26］發(fā)現(xiàn)，膠合竹－混凝土梁的破壞模式為膠合竹梁指接處斷裂。王震宇［27］則發(fā)現(xiàn)膠合竹－混凝土梁的破壞模式除膠合竹梁指接處斷裂以外，還包括端部混凝土板的破壞。在不同的破壞模式下，膠合梁的殘余抗彎強度是不同的，當處于膠合竹梁指接處斷裂的破壞模式時，殘余強度較??；當處于端部混凝土板破壞模式時，梁仍然有較高的強度。此外，由于復(fù)合竹梁由連接件相連，連接件也會對其抗彎性能造成影響。

螺桿是最常使用的連接件，螺桿自身強度對改善梁的抗彎性能沒有實質(zhì)性作用，但增大螺桿直徑對于提高梁的抗剪承載力、整體抗彎承載力和抗彎剛度有明顯作用，并可減小梁的變形，當螺桿直徑為18 mm時，抗彎性能達到最優(yōu)［26，28－29］。復(fù)合式凹槽連接件也是較為常見的連接件，增加復(fù)合槽數(shù)目可以提高梁的抗彎承載力［27］。

竹材與木材復(fù)合梁是另外一種復(fù)合形式，兩材料復(fù)合后，比單一的竹梁和木梁抗彎性能均有顯著提升。以原木為骨架，通過膠粘劑將竹集成材形成的竹木組合梁較于原木梁受彎承載力和剛度分別平均提升38.8%和43.3%，跨中極限撓度平均提高幅度為24.2%［30］。竹木復(fù)合梁時，如何配置竹材的數(shù)量、位置是研究的重點。蘇杰等［31］研究竹板布置、層數(shù)、截面高度對梁的抗彎剛度的響，其分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在竹板布置和層數(shù)相同的情況下，梁的截面高度越大，梁的剛度越好；在竹梁截面高度相同的情況下，改變梁底部的竹板層數(shù)，對整體的抗彎性能影響不大。冷予冰等［32］研究了以云杉、膠合竹或重組竹作為底板材料構(gòu)成的不同形式6層復(fù)合梁，發(fā)現(xiàn)將云杉膠合木梁的上下表層木板替換為工程竹板，梁的承載力相較純云杉木梁提高了82.3%，是眾多組合中的最優(yōu)配置。

竹材與金屬材料的復(fù)合梁，主要是通過黏合劑和自攻螺釘將竹材和金屬材料復(fù)合在一起。盛葉等［33］研究了鋁板形狀（齒形、U形和I型截面）和厚度（3 mm、6 mm）對重組竹－鋁板組合梁的抗彎性能的影響，發(fā)現(xiàn)6 mm的U形鋁板加固效果最好，相較于重組竹梁，抗彎承載力提高了13.5%。薄壁型鋼－重組竹梁是最常見的竹材與金屬復(fù)合的梁，翟佳磊等［34］分析薄壁型鋼－重組竹梁的破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為跨中開裂、整體破壞以及接頭破壞。唐靜［35］則認為薄壁型鋼－重組竹梁的破壞形態(tài)較為單一，主要是下翼緣重組竹與薄壁型鋼發(fā)生大面積脫膠破壞。此外，剪跨比是影響薄壁型鋼－重組竹梁破壞特征的主要因素，不同的剪跨比，會出現(xiàn)不同的破壞特征，當剪跨比λ≤2時，會出現(xiàn)剪切破壞特征；當λ＝2.5時，將往彎曲破壞發(fā)展；當剪跨比λ＝3時，薄壁型鋼－重組竹梁破壞特征與混凝土受彎構(gòu)件相似［36－37］。在強度方面，鋼板厚度、翼緣竹板厚度和截面高度是主要影響因素，提高鋼板厚度、翼緣竹板厚度和截面高度，可以顯著提高梁的抗彎性能［34－35］。

2.6 增強竹梁

纖維增強復(fù)合材料（FRP）具有強度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點。十分適合用來增強結(jié)構(gòu)用材。常用于增強竹梁的纖維增強復(fù)合材料有碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等。

碳纖維增強重組竹梁是常見的一種增強竹梁，其破壞模式分為2種，分別是重組竹指接處開裂和梁底部指接處開裂［39］。碳纖維增強重組竹梁的增強效果，主要受到碳纖維層數(shù)、竹梁的截面高度以及不同加固方式的影響。碳纖維的層數(shù)越高，增強效果越好；竹梁截面高度越小，增強效果越好［40］。針對重組竹常見破壞模式，加固方式主要有兩種，一種是僅在重組竹梁受拉區(qū)的底部粘貼碳纖維布，另一種是在所有指接位置粘貼碳纖布，經(jīng)試驗證明，兩種加固方式可以使梁的極限承載力分別提高14%、19%，因此，在所有指接位置粘貼碳纖維布是更有效的加固方式［39，42］。除了碳纖維之外，玄武巖纖維和芳綸纖維也可用來增強竹梁，研究人員對其進行研究并與碳纖維的增強效果進行比較。魏洋等［41］比較了碳纖維和玄武巖纖維對重組竹梁抗彎強度的效果，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維增強重組竹梁抗彎剛度提高5%～23%，承載力提高2%～35%；碳纖維增強重組竹梁抗彎剛度提高14%～55%，承載力提高11% ～75%，可見碳纖維對于竹梁的增強遠大于玄武巖纖維（圖14）。張慧中［43］則探究了芳綸纖維增強重組竹梁的效果，發(fā)現(xiàn)，芳綸纖維配置量0.57%時竹梁的極限載荷、剛度、延性最優(yōu)，較未增強前分別提高34.5%、15%、17%，但依然顯著低于碳纖維的增強效果。

圖14 FRP增強重組竹梁抗彎性能對比（CFRP-碳纖維，BFRP-玄武巖）Fig.14 Comparison of the effects between CFEP and BFRP

碳纖維除了用于重組竹梁外，亦有用于膠合竹梁，經(jīng)過試驗證明，碳纖維可以延緩膠合竹片之間的膠合強度不足，并獨自承擔部分抗彎承載力，因此竹梁的承載力和抗彎剛度得到提高，具體的增強效果，與碳纖維增強重組竹梁相似，都是纖維層數(shù)越高，增強效果越好［44］。

3 展望

竹材是一種環(huán)保且力學(xué)性能優(yōu)良的材料，將其用在建筑領(lǐng)域可以有效緩解我國森林資源不足，環(huán)境污染嚴重的現(xiàn)狀，但竹質(zhì)構(gòu)件在建筑中應(yīng)用比例仍然較少，主要用于示范性建筑、展館、商業(yè)建筑或是一些臨時住房。如何使竹梁能真正進入到大眾視野，融入人們的日常生活中，需要從以下角度思考和實踐。（1）開發(fā)適用于高層建筑的竹梁產(chǎn)品。竹梁現(xiàn)在所應(yīng)用的建筑一般都是低層建筑，而隨著人口逐漸增加，高層建筑是人們主要居住的場所，研究人員應(yīng)該研究如何將竹梁應(yīng)用到一些高層建筑上，讓竹梁更加符合現(xiàn)代建筑需求。（2）加大對于竹梁的宣傳力度，改變?nèi)藗儗χ癫暮每床粚嵱玫钠?，讓人們意識到竹材是可以與傳統(tǒng)建筑材料媲美的材料，只有人們有這方面的需求，才能促進竹建筑行業(yè)的發(fā)展。（3）加強竹建筑行業(yè)的人才培養(yǎng)。世界各國大部分高等院校和職業(yè)培訓(xùn)機構(gòu)都不提供竹建筑的專業(yè)培訓(xùn)，應(yīng)當開專門的課程來培養(yǎng)竹建筑行業(yè)的人才。（4）加大對竹建筑方面研究的資金投入，在國家政策層面扶持一些竹建筑企業(yè)，勢必可以加快竹梁發(fā)展，在市場上占據(jù)一席之地。