小徑級圓竹家具用材力學性能及其設(shè)計改良研究?

蔡紹祥 夏 雨 徐冰潔 郭玉良

（1.常熟理工學院，常熟 215500；2.南通職業(yè)大學，南通 226007； 3.重慶同豐工程管理有限公司，重慶 400020）

竹材是一種生長快，成材周期短，力學性能優(yōu)異的天然綠色材料。竹材分布地域廣，其產(chǎn)品可應(yīng)用于車輛、建筑、家具、裝飾等各個領(lǐng)域，學者們對竹材的應(yīng)用作了大量研究，研究表明：竹材既可加工成竹片，也可以圓竹直接利用[1-7]。對于小徑級竹而言，由于其直徑較小，竹壁薄，并不適用于建筑結(jié)構(gòu)和竹質(zhì)板材生產(chǎn)等，但將其應(yīng)用于家具制造，不僅能擴大其使用范圍，而且能提高竹材附加值。小徑級竹主要包括毛竹、紅竹和苦竹等，廣泛分布于浙江、福建、江西、湖南、四川和安徽等地，竹材產(chǎn)量豐富，可利用價值高。目前，國內(nèi)外家具設(shè)計者致力于生態(tài)設(shè)計和綠色設(shè)計家具產(chǎn)品。圓竹家具正好迎合了人們對綠色產(chǎn)品的消費需求。現(xiàn)代圓竹家具的結(jié)構(gòu)改良主要體現(xiàn)在新的五金件、外觀造型及圓竹結(jié)構(gòu)增強等方面。本文對圓竹家具材料性能進行研究，對構(gòu)造進行改良設(shè)計，同時采用局部注塑的方式增強圓竹力學性能，改良家具部件結(jié)合方式，從而滿足不同角度的連接形式，實現(xiàn)家具造型的多樣性，使家具外觀從傳統(tǒng)的造型演化出更多結(jié)形式，更符合現(xiàn)代簡潔清晰的審美趨向。

1 材料與方法

1.1 材料

四年生毛竹（Phyllostachys pubescens）、紅竹（Phyllostachysiridescins）和苦竹（Pleioblastus amarus）各20根，竹材表面光潔，截面較圓；距離根部10 cm處截取，并以1.2～1.5 m為基準，將同一竹竿平均分為底部、中部、梢部三部分。

1.2 設(shè)備

AB204-N型電子分析天平（梅特勒，瑞士），DNS50型微機控制電子式木材萬能力學試驗機（長春機械科學研究院），ER-1 OAGP型高低交變濕熱試驗箱（蘇州晨光試驗設(shè)備公司），SEG-021 型烘干箱（愛斯佩克，日本），游標卡尺、螺旋測微器和注塑時用的加熱釜等。

1.3 試驗方法

1.3.1 圓竹試驗方法

測試比較毛竹、紅竹和苦竹的物理力學性能，并對竹材底部，中部和梢部物理力學性能進行測試，比較竹材不同部位力學性能差異。參照GB/T 15780—1995《竹材物理力學性質(zhì)試驗方法》[8]制作力學試驗竹片試件。圓竹竹片試件尺寸為：H（長度）mm×d（圓竹內(nèi)徑）mm×T（圓竹壁厚）mm。干縮率試件:10 mm ×10 mm ×T mm；順紋抗壓強度試件：20 mm × 20 mm × T mm；抗彎強度試件：160 mm ×10 mm × T mm；凸型順紋抗剪強度試件：35 mm ×20 mm ×T mm；凹型順紋抗拉強度試件：280 mm ×10 mm ×T mm；參 照LY/T 2564—2015《圓竹物理力學性能試驗方法》[9]制作d mm ×40 mm圓竹材試件，用于測定圓竹順紋抗壓、順紋抗剪、徑向抗壓強度；d mm ×60 mm試件用于測定抗彎強度，其中d為圓竹直徑。

試件在交變濕熱試驗箱中以溫度20℃、相對濕度65%的恒溫恒濕條件下進行水分調(diào)節(jié)。平衡含水率至12%左右，再進行相關(guān)物理力學性能試驗，竹片物理力學性能試驗參照GB/T 15780—1995 進行。圓竹材物理力學性能測試參照LY/T 2564—2015 進行。徑向環(huán)剛度測試：測量試件的長度和內(nèi)徑，將試件放置于2 塊平行的壓板之間，施加預(yù)載荷不大于50 N，以2 mm/min勻速垂直加載，記錄試件在直徑方向上內(nèi)徑的變形達到3%時的載荷和變形量，計算徑向環(huán)剛度，計算公式： 其中，S為3%變形時的環(huán)剛度，MPa；P為3%變形時的載荷，kN；L為試件長度，m；Y為試件變形量，m；d為試件內(nèi)徑，m。

1.3.2 圓竹局部注塑增強法

家具結(jié)構(gòu)破壞集中在結(jié)構(gòu)的連接結(jié)合處，尤其在圓竹家具中顯得更為突出[10-11]。在充分發(fā)揮圓竹自身特點的基礎(chǔ)上，有學者[12]提出，將建筑中的CFST鋼管混凝土技術(shù)[13-15]應(yīng)用于圓竹家具結(jié)構(gòu)，采用成熟的注塑工藝[16-18]，對圓竹連接結(jié)點局部注塑增強，以克服圓竹家具結(jié)構(gòu)存在的一些缺陷。在圓竹家具的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，注塑采用的材料可以是橡膠、塑料，樹脂加凝固劑等?？梢愿鶕?jù)家具設(shè)計要求，設(shè)計許多新型圓竹家具結(jié)構(gòu)形式，本文以毛竹作為研究對象，ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）注塑材料，研究圓竹家具部件局部注塑，進行力學性能分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 種竹材物理力學性能

2.1.1 竹片與圓竹材物理力學性能

由表1 和表2 可見毛竹、紅竹和苦竹竹片物理力學性能差異。毛竹徑向干縮系數(shù)和弦向干縮系數(shù)較大，苦竹與紅竹的竹片徑向干縮率數(shù)和弦向干縮率相差并不大，且都較小。毛竹基本密度稍低于紅竹和苦竹。毛竹竹片抗壓強度、抗剪強度和抗彎強度均低于紅竹和苦竹，而紅竹和苦竹相差不大。由毛竹、紅竹和苦竹的圓竹力學性能對比發(fā)現(xiàn)，毛竹圓竹抗壓強度、抗剪強度和圓竹徑向環(huán)剛度均比紅竹和苦竹低，而3 種竹材中紅竹抗彎強度最低，苦竹最高。從抗壓強度、徑向環(huán)剛度和抗彎強度的綜合力學性能考量，紅竹和苦竹表現(xiàn)出較好的力學性能；對比四年生的毛竹、紅竹和苦竹，發(fā)現(xiàn)毛竹的直徑普遍大于紅竹和苦竹，且可利用竹材量相對較大，使用效率相對較高。

表1 圓竹竹片材物理力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of bamboo sheet

表2 圓竹材物理力學性能Tab.2 Physical and mechanical properties of bamboo

2.1.2 圓竹材不同部位的力學性能

圓竹底部位置直徑變化較大，且竹節(jié)間距較短；中部位置圓竹直徑變化小，竹節(jié)間距較大，而梢部位置圓竹直徑較小。為了研究不同部位圓竹材力學性能差異，可任選一種小徑級圓竹為研究對象，本文以紅竹為研究對象,研究圓竹不同部位力學性能，圖1 和圖2 所示為紅竹圓竹材的抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和徑向環(huán)剛度。由圖可知，其抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和徑向環(huán)剛度從底部到梢部均逐漸增強，抗彎強度在梢部增強最顯著。對圓竹不同部位力學性能研究發(fā)現(xiàn)，紅竹的這種變化規(guī)律與苦竹和毛竹變化規(guī)律相似[19-20]。主要原因在于：密度是竹材的重要物理性質(zhì)，竹材的品質(zhì)取決于密度。竹材在生長高度達到可生長的最高值后，其高度不再繼續(xù)增加，因此其所吸收的養(yǎng)分或逐漸充實竹壁細胞；同一竹竿從底部至梢部，竹材維管束橫截面積逐漸縮小，導(dǎo)管的孔徑變細，自由水含量減少，密度增加，因此呈現(xiàn)同一竹竿從底部至梢部，物理力學性能提高的現(xiàn)象[3-4]。由以上分析可知，苦竹力學性能優(yōu)于紅竹，毛竹力學性能較差；圓竹不同部位的力學性能，竹子底部較差，且干縮率也較大，從綜合力學性能考慮，中部位置圓竹較優(yōu)，可作為家具用材。為提高小徑級竹材利用率，可以對力學性能較差的竹材實行注塑增強工藝，使其達到家具用材的要求。

圖1 圓竹材抗壓、抗彎強度Fig.1 Compressive strength and bending strength of bamboo

圖2 圓竹材抗剪、徑向環(huán)剛度 Fig. 2 Shear strength and radial ring rigidity of bamboo

2.2 注塑圓竹材力學性能

對3 種小徑級圓竹的力學性能研究發(fā)現(xiàn)，毛竹力學性能相對較差。為提高圓竹材力學性能，本文采用對圓竹進行局部注塑處理的方法，以使力學性能較差的圓竹材符合家具用材要求。試驗中采用了ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）為圓竹進行注塑處理，取底部位置毛竹材為注塑研究對象。由表2 和表3 對比可知，毛竹圓竹局部注塑后，其抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和徑向環(huán)剛度與未注塑毛竹相比均大幅提高，分別增加65.4%、103.8%、41.7%和69.8%，其中抗剪強度增幅最大。因此采用注塑工藝增強圓竹力學性能是一種有效途徑，注塑后圓竹用于制作家具其力學性能更優(yōu)，可采用更多家具部件連接方式。

表3 注塑圓竹材物理力學性能影響Tab.3 Physical and mechanical properties of injection molded bamboo

2.3 圓竹家具主要結(jié)構(gòu)形式

圓竹家具有許多構(gòu)件結(jié)合部位。傳統(tǒng)的竹家具部件連接時多采用螺絲、竹銷以及膠黏劑等，其結(jié)合強度較低。為增強結(jié)合部的力學強度，在制作過程中，可使用竹段與木芯相結(jié)合的方式進行連接，其主要方法是：竹段竹節(jié)打通后與相應(yīng)大小的木芯匹配，并將木芯塞入竹段膠合固定。圓竹家具是一種框架拼接結(jié)構(gòu)家具，為使圓竹家具連接部位接合強度更大，結(jié)構(gòu)形式更加合理，本文設(shè)計直角斜接接合、三角并接接合、魚口接合3 種連接接合方式。如圖3 所示為3 種連接部件的外觀結(jié)構(gòu)形式。由于在塞入木段后，圓竹家具在連接時容易錯位，且連接不夠緊密，因此可對其連接方式進行優(yōu)化，即在木段端部中心位置插入圓棒榫進行定位連接，同時可防止其相互錯位。

圖3 圓竹家具連接部件外觀結(jié)構(gòu)形式Fig. 3 Appearance and structure of connecting parts of bamboo furniture

圖4a所示為直角斜接接合構(gòu)件下料后的竹段，經(jīng)打通竹節(jié)、打磨等工序，將竹段與竹段之間接合的端口切成45°；然后截取8～12 cm長木芯，一端同樣切成45°，在連接部件結(jié)合之前，先將木芯與圓竹部件接合，木芯45°角端面涂上白乳膠，另一段木芯同樣涂上乳膠，將二者以90°角的形狀粘接，并再用氣釘將其固定。二者之間縫隙用竹粉竹渣填滿，竹段之間結(jié)合后再以氣釘固定，以防止竹段錯位變形。圖4b所示為三角并接接合構(gòu)件的主要工序，在前期處理完成后，與直角斜接接合不同的是，并接接合的竹段和木芯每一個端口需要切2 次，兩面對稱并且都呈45°，得到的形狀類似心形，且在木段斷面中心位置鉆孔，插入圓棒榫，用于定位連接。兩切面和圓棒榫部分涂上乳膠，而后以兩兩90°角的形式膠合，最后以氣釘固定。膠合固定后的木芯涂上白乳膠，將打通竹節(jié)的竹段套在木芯上，以兩兩90°角進行接合，圓竹與木芯之間除了乳膠之外需用氣釘固定，二者之間的縫隙同樣用竹粉竹渣填滿。圖4c為魚口構(gòu)件接頭的構(gòu)造，魚口構(gòu)件主要用于在主框架安裝之后，主框架內(nèi)部的橫帳等支撐部位。魚口接合構(gòu)件在安裝時需將木芯塞入圓竹筒中，且木芯中心位置需要鉆孔并塞入圓棒榫，使部件之間的接合更加牢固，不易錯位；在安裝時需在端口和圓棒榫上涂上乳膠，并將魚口竹段安裝在另一端已鉆好孔的圓竹與木芯結(jié)合的部件中。

圖4 圓竹中塞入木段后連接部件結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of connecting parts after inserting wood section into round bamboo

2.4 注塑圓竹家具主要結(jié)構(gòu)形式

試驗表明注塑能夠有效提高圓竹的力學性能，本文根據(jù)相關(guān)文獻研究[1,7,21]，結(jié)合毛竹的小徑級特點，設(shè)計局部注塑圓竹丁字榫作為圓竹家具連接結(jié)構(gòu)形式，局部注塑圓竹丁字榫借鑒了傳統(tǒng)丁字榫結(jié)構(gòu)，通過對圓竹局部進行注塑以增強力學性能，如圖5a所示，同時又因原本中空的竹腔中被塑料所填充，因而制作連接榫和榫眼變得容易。制作連接榫時，科學合理地利用圓竹的自身特性，保留竹材原有的一層竹壁，有利于提高結(jié)構(gòu)強度。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)圓竹家具的丁字榫制作方式相比，具有工藝更簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，減小了因為制榫給結(jié)構(gòu)力學強度帶來的影響，使結(jié)構(gòu)具有更穩(wěn)固、可拆裝等優(yōu)點。同時為了方便安裝和防止部件錯位，在注塑部件的端口鉆孔并插入圓棒榫進行定位。裝配結(jié)構(gòu)如圖5b所示，這種結(jié)構(gòu)形式可用于幾案類等家具的腿與橫帳的連接，也可用于床梃床屏的連接等。

圖5 注塑圓竹丁字榫工序圖Fig. 5 Process diagram of bamboo T-mortise tenon for injection molding

除丁字榫外，也可以利用偏心連接件結(jié)合方式，通過對結(jié)構(gòu)的局部注塑增強后，采用板式家具中最常用的三合一偏心連接件，可以很方便地實現(xiàn)如傳統(tǒng)圓竹家具結(jié)構(gòu)中丁字榫連接結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)圓竹家具結(jié)構(gòu)形式相比，這種結(jié)構(gòu)形式對圓竹的整體性破壞較小，因而結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固耐用，同時還具有可拆裝、易于實現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)、便于運輸和成本低等優(yōu)點[22-25]。在制作結(jié)構(gòu)過程中，應(yīng)根據(jù)圓竹實際尺寸選擇三合一偏心連接件規(guī)格，如根據(jù)圓竹直徑大小，調(diào)整連接件的個數(shù)。使用偏心連接件時，可根據(jù)受力情況不同，設(shè)計成單連接件和雙連接件結(jié)合方式；同時可在斷面鉆孔插入圓棒榫進行定位連接，使接合部更加牢固，圖6a所示為單偏心連接件結(jié)合，圖6b為雙偏心連接件結(jié)合。

圖6 注塑圓竹偏心連接件結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Structural diagram of injection molded bamboo eccentric connector

3 結(jié)論

對毛竹、紅竹和苦竹的竹片、圓竹和圓竹不同部位的物理力學性能進行分析對比。結(jié)果表明：紅竹和苦竹的力學性能略優(yōu)于毛竹；圓竹中部位置處直徑變化較小，竹節(jié)間距長，綜合力學性能較優(yōu)，可作為圓竹家具用材。圓竹局部注塑能有效提高圓竹力學性能，通過注塑處理，力學性能較差的圓竹材可達到圓竹家具用材要求。根據(jù)小徑級圓竹特點，設(shè)計了幾種圓竹部件連接方案，如圓竹內(nèi)預(yù)埋小木斷的方法及直角斜接接合、三角并接接合、魚口接合3 種連接接合方式；圓竹局部注塑部件接合方法可采用圓竹丁字榫和偏心連接件連接方法來增強接合強度；同時在幾種連接部件端部可插入圓棒榫，用于部件之間的定位和防止錯位，使連接更加牢固。