圓竹材套筒式釘接構(gòu)件的抗彎性能研究?

周 慧 蘇 娜 馬欣欣 方長(zhǎng)華 費(fèi)本華

（國(guó)際竹藤中心，國(guó)家林業(yè)和草原局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102）

圓竹是竹材利用的重要形式[1]，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性[2-3]，在建材領(lǐng)域有著混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建材不可替代的地位[4]。圓竹的抗拉性能和抗彎性能優(yōu)越，又具有強(qiáng)重比高、抗沖擊韌性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠吸收和耗散地震中的大量能量，是建筑行業(yè)的理想材料[5-8]。圓竹作為建筑材料的應(yīng)用歷史悠久，早期的竹腳手架[9]、臨時(shí)建筑以及低層圓竹建筑[11]均采用圓竹作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過(guò)綁扎、直釘?shù)确绞竭B接而成[10]。隨著竹材在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展[12-13]，圓竹開始應(yīng)用于各大建筑工程，如北京世園會(huì)大跨度圓竹建筑竹藤館[14]、長(zhǎng)城腳下的竹屋[15]等。圓竹材作為結(jié)構(gòu)材使用時(shí)，其結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要，影響建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性，目前對(duì)圓竹材連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)性能已有大量研究[16-19]，包括穿斗式節(jié)點(diǎn)、灌漿節(jié)點(diǎn)、螺栓連接節(jié)點(diǎn)以及鋼構(gòu)件和鋼板連接節(jié)點(diǎn)等[20-23]。由于圓竹本身的結(jié)構(gòu)特性，中空壁薄，尖削度大，兩端大小頭之間的力學(xué)強(qiáng)度存在差異等，現(xiàn)有連接形式的局限性較大，為突破這種局限性，黃政華[24]等設(shè)計(jì)了一種鋼箍碳纖維布組合節(jié)點(diǎn)，可以適應(yīng)圓竹材的不規(guī)則性并對(duì)其進(jìn)行有效接長(zhǎng)。北京世園會(huì)竹藤館[25]屋頂采用跨度為35 m長(zhǎng)的圓竹拱結(jié)構(gòu)作為主要受力體系，承載竹檁條和屋頂?shù)膲毫?。竹藤館的圓竹拱結(jié)構(gòu)和竹檁條采用了大竹筒內(nèi)套小竹筒，用直釘將大小竹筒連接加固的圓竹接長(zhǎng)技術(shù)。這種以套筒式連接方式對(duì)圓竹材進(jìn)行縱向接長(zhǎng)，連接處用氣釘槍釘入直釘加固制成的圓竹構(gòu)件單元，選用的材料均為圓竹材，低碳環(huán)保，同時(shí)充分利用了小徑級(jí)圓竹材，原材料成本低。此外，采用氣釘槍連接，施工便捷，工藝簡(jiǎn)單。在圓竹材的加長(zhǎng)連接中，未用螺栓、螺母，避免了開裂的發(fā)生。本文結(jié)合竹藤館圓竹材的連接結(jié)構(gòu)，對(duì)套筒式釘接形式的圓竹材連接試件進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)研究，分析其抗彎承載力和破壞形態(tài)，同時(shí)對(duì)圓竹管重要位點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，以獲得該種連接方式的圓竹構(gòu)件在不同承載力作用下的變形規(guī)律，為圓竹結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

3～4年生紅竹（Phyllostachys iridescensC. Y. Yao），采自浙江省安吉縣，胸徑4 cm左右，選取根部以上1～3 m的圓竹段為試驗(yàn)用材。所有試件均經(jīng)過(guò)微碳化（碳化條件：壓力0.22 MPa，溫度100 ℃，時(shí)間30 min），并自然干燥存放2年，性能穩(wěn)定。含水率為8%～10%。

1.2 設(shè)備

WDW-100E力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南新時(shí)代試金儀器；F32F氣釘槍，廣東廣州美特氣釘槍五金廠；M8-255切割機(jī)，浙江博大五金電動(dòng)工具；DSM820-100小型砂光機(jī)，東成電動(dòng)工具；MPS-S-200-R型拉線位移傳感器，深圳精諾電子科技；EY212靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，江蘇靖江電子科技。

1.3 試件制備

共設(shè)置2組試件，分別為套筒式釘接圓竹試件和非連接圓竹試件，后者作為對(duì)照組，每組10個(gè)試件。套筒式釘接圓竹試件的加工制作如圖1所示。釘?shù)奈恢萌鐖D2所示，直釘長(zhǎng)度為15 mm。

（1）外套筒制備：用切割機(jī)將直徑為38～45 mm，長(zhǎng)度為2 m的紅竹試材按要求加工成長(zhǎng)度為750 mm的圓竹段，并用砂光機(jī)將竹管兩端面磨平，保證兩端平整且相互平行，用于套筒式釘接圓竹管試件的制作。

（2）內(nèi)套筒制備：用切割機(jī)將直徑為30 mm左右的小徑紅竹按要求加工成長(zhǎng)度為400 mm的圓竹管，對(duì)竹節(jié)處進(jìn)行打磨處理，使其能夠被套入（1）中制備的外套筒試件，作為外套筒試件的連接介質(zhì)。

（3）釘連接：將（2）中制備的內(nèi)套筒試件套入外套筒中，利用氣釘槍將直釘按照劃好的位置釘入試件中，使其組合成套筒式釘接試件。套筒式釘接圓竹試件的示意圖如圖2所示。

圖2 套筒式釘接圓竹試件示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sleeve-type nailed round bamboo specimen

（4）對(duì)照組試件制備：用切割機(jī)將直徑為38～45 mm，長(zhǎng)度為2 m的紅竹試材按要求加工成長(zhǎng)度為1 500 mm的圓竹材，并用砂光機(jī)將竹管兩端面磨平，保證兩端平整且相互平行，作為對(duì)照組試件。

兩組試件的基本信息見表1。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 計(jì)算方法

參照LY/T 2564—2015《圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》和GB/T 15780—1995《竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》對(duì)試件進(jìn)行抗彎性能測(cè)試。試驗(yàn)環(huán)境溫度為28 ℃，相對(duì)濕度為60%～80%。采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三分點(diǎn)加載[26]，最大加載值為100 kN，試驗(yàn)加載速度為20 mm/min，加載方法為單調(diào)靜態(tài)加載。

抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：σ為抗彎強(qiáng)度，MPa；Fmax為最大破壞載荷，N；L為跨距，mm；Dmin為兩加載點(diǎn)處試件直徑最小值，mm；I為截面慣性矩，mm4。

彈性模量的計(jì)算公式為：

式中：E為抗彎彈性模量，MPa；ΔF為上、下限載荷之差，N； Δδ為上、下限載荷中心點(diǎn)撓度變化，mm。

1.4.2 測(cè)量方法

從每組10個(gè)試件中各選取2個(gè)進(jìn)行應(yīng)變和撓度的測(cè)量。試件的應(yīng)變片布置如圖4所示，奇數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)分布在試件的頂部，用于測(cè)量受壓區(qū)應(yīng)變，偶數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)用于測(cè)量受拉區(qū)應(yīng)變。同時(shí)在跨中及三分點(diǎn)處布置3個(gè)位移計(jì)，測(cè)量各處豎向位移的變化，通過(guò)EY212靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)采用的MPS-S-200-R型拉線位移傳感器，量程為10 cm。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 抗彎試驗(yàn)加載裝置Fig. 3 Loading device for bending test

圖4 應(yīng)變片分布位置Fig. 4 Strain gauge distribution position

2 結(jié)果與分析

2.1 承載力與破壞模式分析

試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表中可以看出，套筒式釘接圓竹試件的破壞荷載平均值為0.73 kN，比對(duì)照組圓竹試件的破壞荷載降低了63.86%，抗彎強(qiáng)度為32.49 MPa，彈性模量為9.58 GPa，分別比對(duì)照組圓竹試件降低了59.49%和18.68%。與對(duì)照組圓竹試件相比，套筒式釘接圓竹試件的抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低，但其彈性模量與對(duì)照組相差不大。說(shuō)明套筒式釘接圓竹試件在彈性階段抵抗變形的能力接近完整圓竹試件在彈性階段抵抗變形的能力。

表2 試件抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of flexural performance of specimens

2.1.1 荷載-位移曲線分析

套筒式釘接圓竹試件和非連接圓竹試件的荷載-位移曲線如圖5a、b所示。從圖中可以看出，2組試件均呈現(xiàn)出3個(gè)階段的發(fā)展規(guī)律。

圖5 試件荷載-位移曲線Fig. 5 Load-displacement curve of specimen

1）彈性發(fā)展階段：在施加荷載的初始階段，荷載迅速增加，位移緩慢增加，這一階段試件的荷載-位移曲線基本呈線性變化，所有試件均表現(xiàn)出彈性發(fā)展。

2）彈塑性發(fā)展階段：在這一階段，試件的荷載減緩增加，變形迅速發(fā)展，可以觀察到荷載-位移曲線呈非線性變化。

3）破壞階段：隨著位移繼續(xù)增加，竹管的荷載迅速減小，竹管試件出現(xiàn)裂紋直至徹底破壞。

2.1.2 破壞模式

記錄了2組試驗(yàn)中試件的破壞形態(tài)，套筒式釘接圓竹試件大致可以歸納為3種典型破壞形態(tài)（圖6），對(duì)3種破壞模型的破壞過(guò)程及對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1）破壞模型I：圓竹外套管與起連接作用的內(nèi)套管在受彎變形過(guò)程中，內(nèi)套管與外套管內(nèi)壁緊密接觸之處有力地相互作用，圓竹外套管因受到內(nèi)套管小徑竹力的作用劈裂破壞。表現(xiàn)為試件的圓竹管從連接接口開始出現(xiàn)裂縫，纖維被撕裂開，隨著荷載的增加裂縫逐漸擴(kuò)大，出現(xiàn)的裂縫向端部延伸至試件失效，同時(shí)試件底部直釘與外套筒的圓竹管分離開（圖6a）。極限承載力由外套筒的力學(xué)性能決定。

2）破壞模型II：試件釘孔處首先出現(xiàn)細(xì)小裂縫，隨著荷載的增加，裂縫也隨之越來(lái)越大，至試件失效（圖6b）。極限承載力因釘孔對(duì)圓竹管的剪切破壞而略小。

3）破壞模型III：直釘處的釘孔在試件加載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沿釘孔延伸的小細(xì)縫，并與加載過(guò)程中外套管本身在連接接口處出現(xiàn)的大裂縫交匯，導(dǎo)致試件失效。兩者的裂縫都隨荷載的增加而擴(kuò)大并向端部延伸至試件破壞（圖6c）。極限承載力受外套管力學(xué)性能和直釘孔的剪切破壞共同影響。

圖6 套筒式釘接圓竹試件3種典型破壞形態(tài)Fig. 6 Three typical failure modes of telescopic bamboo specimens

破壞模式Ⅰ中套筒式釘接圓竹試件的薄弱點(diǎn)主要是連接接口處，在試件加載的初期，即彈性發(fā)展階段，外套管與內(nèi)套管共同受彎變形，隨著荷載的增加，起連接介質(zhì)的內(nèi)套管與外套管試件的內(nèi)壁部分緊密接觸，兩者接觸部分產(chǎn)生相互力的作用，當(dāng)內(nèi)套管對(duì)外套管內(nèi)壁的力大于外套管抗劈裂的力時(shí)，圓竹管從連接接口處就會(huì)出現(xiàn)裂縫。破壞模式Ⅱ和破壞模式Ⅲ中主要是因?yàn)樵嚰屑?xì)小釘孔處出現(xiàn)微裂縫，會(huì)加快試件出現(xiàn)破壞，從而導(dǎo)致極限承載力較小。氣釘較小，相比于螺栓或螺桿連接，氣釘孔對(duì)圓竹的剪切破壞和開裂破壞相對(duì)較小。

對(duì)照組圓竹試件的破壞形態(tài)大致可歸納為2種：第一種為破壞時(shí)初始裂縫出現(xiàn)在直徑較小端的加載點(diǎn)處上表面和側(cè)邊，并沿縱向裂縫發(fā)展至端部處；第二種為直徑較小端的加載點(diǎn)處圓竹管因應(yīng)力集中被局部壓潰，與張文福等的研究結(jié)果一致[27-28]。加載點(diǎn)處應(yīng)力集中易造成破壞，同時(shí)圓竹較細(xì)一段的直徑和壁厚較小，也是加載過(guò)程中易產(chǎn)生破壞的薄弱點(diǎn)。

圖7 對(duì)照組圓竹試件典型破壞形態(tài)Fig.7 Typical failure modes of round bamboo specimens in the control group

2.2 應(yīng)變分析

2.2.1 加載過(guò)程中應(yīng)變變化趨勢(shì)

通過(guò)電阻應(yīng)變片記錄加載過(guò)程中圓竹管頂部和底部的應(yīng)變情況，奇數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)表示圓竹頂部受壓區(qū)應(yīng)變，偶數(shù)號(hào)測(cè)點(diǎn)表示圓竹底部受拉區(qū)應(yīng)變。受壓區(qū)應(yīng)變?yōu)樨?fù)，受拉區(qū)應(yīng)變?yōu)檎?。?duì)照組圓竹試樣在加載過(guò)程中隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖8所示，從圖中可以看出，在加載前期，即彈性發(fā)展階段，試件各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變近似呈線性變化，同一位置的受拉區(qū)和受壓區(qū)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，試件兩側(cè)相對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)變趨勢(shì)近似一致。試件到達(dá)彈塑性發(fā)展階段之后，受壓區(qū)中3號(hào)、5號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變較其他測(cè)點(diǎn)稍大， 3號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變相對(duì)較大，這是由于靠近兩加載點(diǎn)處，應(yīng)力集中。隨著荷載不斷增加，靠近9號(hào)測(cè)點(diǎn)的加載點(diǎn)處因應(yīng)力集中造成局部破壞，其應(yīng)變也相應(yīng)減小。受拉區(qū)6號(hào)測(cè)點(diǎn)和10號(hào)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變較大，10號(hào)測(cè)點(diǎn)處因受拉應(yīng)力集中導(dǎo)致試件首先發(fā)生開裂破壞。對(duì)照組圓竹試樣受壓區(qū)應(yīng)變要普遍稍大于受拉區(qū)應(yīng)變。

圖8 對(duì)照組圓竹試件應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig. 8 Strain-time curve of round bamboo sample in control group

圖9反映了套筒式釘接圓竹試件各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨加載時(shí)間變化的趨勢(shì)。從圖中可以看出在加載前期，即彈性發(fā)展階段，試件各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變近似呈線性變化，同一位置的受拉區(qū)和受壓區(qū)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，試件兩側(cè)相對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)變趨勢(shì)近似一致。試件到達(dá)彈塑性發(fā)展階段之后，受壓區(qū)，靠近兩加載點(diǎn)處的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變較大，最大應(yīng)變達(dá)到4 000，連接接口兩端的5號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化較小。受拉區(qū)，靠近兩加載點(diǎn)處的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變較大，最大達(dá)到2 800，連接接口兩端測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化不明顯。

圖9 套筒式釘接圓竹試件應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig. 9 Strain-time curve of sleeve-type nailed round bamboo specimen

2.2.2 不同荷載下的應(yīng)變分析

不同荷載下，對(duì)照組圓竹試件和套筒式釘接圓竹試件縱向圓竹管各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化如圖10、11所示。圖中縱坐標(biāo)為加載過(guò)程中試件不同測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變量；橫坐標(biāo)為試件上各測(cè)點(diǎn)距試件跨中的距離。從圖10可以看出，對(duì)照組圓竹試件受壓區(qū)在加載前半段9號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變略大于5號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，9號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近加載點(diǎn)附近應(yīng)力較為集中，導(dǎo)致9號(hào)測(cè)點(diǎn)先出現(xiàn)破壞，裂縫產(chǎn)生后，應(yīng)力逐漸減小。受拉區(qū)10號(hào)測(cè)點(diǎn)處圓竹管上部由于應(yīng)力集中也使底部的應(yīng)變高于其他測(cè)點(diǎn)，最終10號(hào)測(cè)點(diǎn)附近斷裂，破壞。

圖10 對(duì)照組圓竹試件不同荷載下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變Fig. 10 Strain of each measuring point of round bamboo specimens under different loads in the control group

圖11所示為不同荷載下套筒式釘接圓竹試件縱向圓竹管各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化。由圖可見，連接接口附近的5號(hào)、6號(hào)、9號(hào)和10號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變較小，受拉區(qū)的6號(hào)和10號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本為0。試件的破壞主要產(chǎn)生在9號(hào)測(cè)點(diǎn)和10號(hào)測(cè)點(diǎn)的兩側(cè)以及13號(hào)測(cè)點(diǎn)的局部破壞。從圖11中的受壓區(qū)可以看出，9號(hào)測(cè)點(diǎn)和13號(hào)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變?cè)诩虞d初始階段要略大于另一根圓竹管的對(duì)稱位點(diǎn)5號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，相應(yīng)地9號(hào)測(cè)點(diǎn)和13號(hào)測(cè)點(diǎn)處所受到的應(yīng)力稍大，隨著荷載增加，試件在測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)11處先出現(xiàn)開裂，隨之在測(cè)點(diǎn)8和12處出現(xiàn)裂縫，最后造成整個(gè)試件的破壞失效。

圖11 套筒式釘接圓竹試件不同荷載下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變Fig. 11 Strain at each measuring point under different loads of telescopic round bamboo specimens

3 結(jié)論

1）套筒式釘接圓竹試件的抗彎強(qiáng)度均值為32.49 MPa，彈性模量均值為9.58 GPa，分別比完整單根圓竹試件的力學(xué)性能降低了59.49%和18.68%。

2）完整單根圓竹試件的破壞模式主要為縱向劈裂和局部破壞，套筒式釘接圓竹試件的破壞模式多為連接接口處開始縱向開裂，部分試件直釘孔處出現(xiàn)細(xì)縫。

3）套筒式釘接圓竹試件在彈性發(fā)展階段內(nèi)，試件各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變近似呈線性變化，同一位置的受拉區(qū)和受壓區(qū)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，試件兩側(cè)相對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)變趨勢(shì)近似一致。進(jìn)入彈塑性發(fā)展階段后靠近加載點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變明顯大于其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)變。套筒式釘接圓竹試件各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變相對(duì)于對(duì)照組略小。