工程竹材力學(xué)性能和節(jié)點連接性能研究進(jìn)展

馮涯欽，王 雪,2，余肖紅,2*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 311300)

20世紀(jì)80年代，經(jīng)過不斷自主創(chuàng)新和技術(shù)引進(jìn)我國出現(xiàn)了膠合竹技術(shù)，這種工藝是將原竹制成基本單元后壓制膠合成竹板。之后在21世紀(jì)初，我國竹產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，汶川地震后為解決建筑抗震性能差、資源浪費嚴(yán)重等問題，首次提出使用竹材進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、裝配式設(shè)計建造以完成住宅災(zāi)后重建和改造工作[1]。2021年我國發(fā)布工程竹材相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對工程竹材進(jìn)行明確的定義，即工程竹是以竹片或竹束為單元膠合而成，具有明確工程力學(xué)參數(shù)，滿足工程設(shè)計的強度、剛度和耐久性要求的竹基復(fù)合材料[2-3]，其分類主要為竹集成材和重組竹。工程竹材具有高強度、高耐候性、高尺寸穩(wěn)定性、強耐腐性等特點，應(yīng)用于建筑、家具、運輸?shù)阮I(lǐng)域，是木材的有效補充和替代。在“以竹勝木”“以竹代鋼”理念帶動下，我國大批研究者對這種新型竹材進(jìn)行研究，開發(fā)出各種附加值高于木材的新產(chǎn)品[4]，這在一定程度上可以解決我國木材資源短缺的問題[5]，有利于全面實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展，雙碳目標(biāo)的提出也將進(jìn)一步加快工程竹材的發(fā)展進(jìn)程與應(yīng)用[6]。

節(jié)點連接性能是現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的重要保障，工程竹材常用的節(jié)點連接方式有齒板連接、螺栓連接、金屬套筒連接等。目前對工程竹材的節(jié)點連接設(shè)計還沒有形成統(tǒng)一的理論體系和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外研究者對其進(jìn)行設(shè)計計算主要參考現(xiàn)有的木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，并根據(jù)工程竹材的材料系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修正[7]。雖然工程竹材和木材有一定的相似性，但是其在結(jié)構(gòu)、性能上仍具有很大的差別，這在一定程度上限制了工程竹材的推廣應(yīng)用。

該文針對國內(nèi)外工程竹材基本力學(xué)性能和節(jié)點連接性能研究現(xiàn)狀，闡述工程竹材作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件時在受拉、受彎和受剪3種基本受力形式下的力學(xué)行為和增強極限承載力的方法措施，綜述工程竹材節(jié)點連接的幾種典型形式及其不同因素對承載力和破壞模式的影響規(guī)律，以期為工程竹材的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論和方法依據(jù)。

1 工程竹材力學(xué)性能研究

1.1 抗壓性能

工程竹材作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，基本的受力形式有柱的受壓和梁的彎曲、受剪。柱構(gòu)件作為建筑中基本的受壓構(gòu)件，其力學(xué)性能主要受材料本身的性能、柱的截面形式以及長細(xì)比等因素影響，破壞模式主要分為強度破壞和失穩(wěn)破壞。

呂清芬等人[8]研究發(fā)現(xiàn)重組竹柱具有強大的彈性恢復(fù)能力，可以在地震中維持良好的延性，且存在較小的震后殘余變形，是一種優(yōu)質(zhì)的工程材料。一些學(xué)者對工程竹材柱構(gòu)件就不同截面形式[9-11]、碳化與非碳化以及短期與長期受壓[12-13]因素展開了試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實心柱極限承載力略高于空心柱與工字柱(如圖1)，約1.09～1.52倍，相差并不大，空心與工字結(jié)構(gòu)既能滿足承載力要求，又能減少材料使用，減輕重量，但是由于受壓時容易在連接處發(fā)生膠層破壞，因此需要對其節(jié)點連接方式進(jìn)行進(jìn)一步研究[9-11]，如鋼—竹組合型空心柱；重組竹經(jīng)碳化后其受壓破壞形態(tài)呈現(xiàn)為明顯的脆性破壞，因此并不適合作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用[12]；柱構(gòu)件在長期受壓情況下發(fā)生蠕變，經(jīng)歷瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，當(dāng)柱壓比不大于0.5時柱變形隨時間增長基本保持穩(wěn)定[12-13]。肖巖等[14]、李海濤等[15]、方佳偉[16]、謝亞孜等[17]發(fā)現(xiàn)隨著長細(xì)比的增大，膠合竹柱受壓時的破壞形式從端部壓潰或膠合面開裂的強度破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁渴芾瓊?cè)位移過大而導(dǎo)致的失穩(wěn)破壞(如圖2)，承載力逐漸下降，同時證明現(xiàn)有的國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對膠合竹柱承載力計算的不適用性。而在實際應(yīng)用中柱子作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件往往處于偏心受壓狀態(tài)，李海濤等[18]、魏洋等[19]對不同偏心距的工程竹材柱進(jìn)行壓彎試驗，結(jié)果表明柱身跨中受拉側(cè)纖維斷裂，隨著偏心距的增大，承載力減小，豎向位移和跨中側(cè)向撓度均有所增大，并提出以偏心距為影響因素的極限承載力計算公式。在此基礎(chǔ)上，茅鳴等[20]對可增強整體承載性能的鋼竹組合柱展開偏心受壓試驗，發(fā)現(xiàn)偏心距對力學(xué)性能影響較大，長細(xì)比有一定影響但無明顯規(guī)律。

圖1 不同截面形式工程竹柱構(gòu)件[10](單位：mm)Fig.1 Engineered bamboo column components with different cross sections

總的來說，由于目前工程竹結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較少，工程竹材與木材雖有一定的相似性，但在宏觀和微觀構(gòu)造上均存在本質(zhì)的差異。因此，需要對工程竹材進(jìn)行進(jìn)一步研究，盡快制定符合工程竹結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，從而指導(dǎo)其工程設(shè)計和應(yīng)用。

1.2 抗彎性能

Sinha等[21]對竹集成材梁和膠合竹梁進(jìn)行了基本力學(xué)性能試驗，并與常用木材進(jìn)行對比，試驗結(jié)果表明其靜曲強度為花旗松的4.7～6.6倍，而彈性模量接近，證明其完全適用于輕型框架結(jié)構(gòu)，作為結(jié)構(gòu)材料具有良好的應(yīng)用前景；周軍文等[22-23]發(fā)現(xiàn)剪跨比對受彎承載力影響不大，并證明有限元模擬的可行性；李海濤等[24-25]基于尺寸效應(yīng)，對不同寬度竹集成材梁進(jìn)行了抗彎性能試驗研究，依據(jù)線性關(guān)系對3種失效模式提出極限彎矩和極限彎曲撓度的計算方法，結(jié)果與試驗值吻合。而在實際工程中，建筑構(gòu)件經(jīng)受的都是長期荷載，在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者對工程竹材長期抗彎性能進(jìn)行研究。陳伯望等[26]對碳化和非碳化重組竹梁在長期荷載作用下的抗彎性能及蠕變規(guī)律進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明碳化使其在長期荷載下?lián)隙葴p小，在30%極限承載力作用下更為穩(wěn)定；袁平等[27]研究發(fā)現(xiàn)竹集成材梁在實際長期荷載應(yīng)用中可能由于高應(yīng)力水平而導(dǎo)致蠕變破壞，建議在正常使用情況下的荷載取極限承載力的45%。

針對受彎構(gòu)件易發(fā)生纖維拉斷，難以滿足大跨度要求的問題，一些學(xué)者提出增強極限承載力、剛度的措施。魏洋等[28]提出鋼筋重組竹復(fù)合梁的概念；周愛萍等[29]、周軍文等[30]提出了一種新型碳纖維加固重組竹梁的方法；柳紅等[31]認(rèn)為可以使用竹集成材加固單板層積材梁以此提高整體承載力；冷予冰等[32]對花旗松膠合木梁、膠合竹梁、重組竹梁和膠合竹木梁4種足尺梁的抗彎性能進(jìn)行對比試驗，提出可以通過工程竹材與速生木材的復(fù)合來增強梁的抗彎性能、強度和變形能力；2021年上?；ú裉兖^采用新型竹鋼材料，在重組竹的基礎(chǔ)上，該材料經(jīng)技術(shù)處理在制造時不去芯去黃，具有更高的強度。

圖3 工程竹與其他材料復(fù)合Fig.3 Composite of engineered bamboo and other materials

1.3 抗剪性能

國內(nèi)外學(xué)者對工程竹材的抗彎及抗壓等力學(xué)性能研究較多，但對工程竹材梁抗剪性能研究相對較少。受剪承載力主要與剪跨比、材料的剪切強度、截面尺寸、梁的跨高比、荷載模式等有關(guān)。Mujiman等[33]將矩形竹片和曲邊竹片膠合竹梁進(jìn)行抗剪對比試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲邊狀梁的承載力、剛度及延性更優(yōu)。李冉等[34]證明增加翼緣和腹板處竹膠板厚度、減小剪跨比可提高組合梁的受剪承載力。鄧謀韜等[35]進(jìn)行不同剪跨比竹集成材梁彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)剪跨比超過1.5時，從層間剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，彎剪破壞的界限剪跨比與梁的跨高比有關(guān)。

總的來說，目前工程竹材力學(xué)性能研究中關(guān)于如何提高承載能力，主要基于2個方面，一是通過對承載力影響因素的研究；二是通過對材料的重組，主要為與木材的復(fù)合、與金屬材料的復(fù)合以及纖維增強等措施。從已查閱的文獻(xiàn)來看，關(guān)于工程竹材在短期受壓、受剪和受彎性能研究成果較多，但是關(guān)于長期荷載的研究相對較少，工程竹材在實際應(yīng)用中，經(jīng)長期受力后往往容易出現(xiàn)裂縫、整體破壞失效等問題，對于如何模擬長期受力的實際情況，選取合適的荷載設(shè)計值，探究工程竹材材料本身的蠕變、構(gòu)件的蠕變、工程竹材與其他材料復(fù)合的蠕變對工程竹材的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有不可忽視的意義。

2 工程竹材節(jié)點連接性能

2.1 齒板連接

目前，齒板主要應(yīng)用于桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接和桿件的接長[36]。在實際工程中，齒板連接的木桁架已廣泛地用于各類建筑，而工程竹桁架中則更多使用鋼板和螺栓連接結(jié)合的形式，對于齒板連接的研究較少報道。肖巖教授團(tuán)隊一直致力于工程竹材的研究，特別是對連接節(jié)點破壞形式機理(圖4)、承載力影響因素、強度試驗等研究。其中，伍金梅等[37]通過拉伸試驗得到金屬齒板應(yīng)用于膠合竹時的板齒極限強度，該數(shù)值與木材接近，證明了齒板連接在現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)設(shè)計中的適用性。在此基礎(chǔ)上，彭琦等[38]通過改變荷載與主纖維方向、齒板與主軸方向夾角進(jìn)一步研究其對齒板連接節(jié)點的板齒強度影響。有學(xué)者對齒板增加與螺栓連接相結(jié)合的形式進(jìn)行研究，宋蕾蕾等[39]研究發(fā)現(xiàn)齒板增強螺栓連接試件可以明顯減少橫紋劈裂破壞、降低群栓效應(yīng)，提高極限荷載和延性系數(shù)，使得木材和螺栓的材料受力性能得到充分地發(fā)揮。

圖4 齒板連接破壞形式[38]Fig.4 Failure mode of tooth plate connection

2.2 螺栓連接

螺栓連接作為現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)中十分重要的節(jié)點連接方式，具有易于加工運輸、安裝簡便且連接性能良好等優(yōu)勢[40]，主要有普通螺栓連接(無鋼板)、鋼填板螺栓連接以及鋼夾板螺栓連接3種形式。

馮立等[41]對4群和6群螺栓進(jìn)行膠合竹梁柱式螺栓節(jié)點性能研究，經(jīng)單調(diào)和循環(huán)往復(fù)加載，結(jié)果表明節(jié)點的破壞是由主材撕裂引起，螺桿受力不均，中部螺桿受力較小也具有抗震耗能的作用。浙江農(nóng)林大學(xué)[42-43]余肖紅教授團(tuán)隊對無約束重組竹單螺栓連接單側(cè)抗剪屈服和斷裂模型進(jìn)行深入探討，并推導(dǎo)出包括應(yīng)力集中系數(shù)在內(nèi)的承載力估算公式。

工程竹材力學(xué)性能強、具有高尺寸穩(wěn)定性，但硬度大、加工性能差，榫卯結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造方式難以應(yīng)用，因此鋼夾板和鋼填板螺栓連接成為工程竹結(jié)構(gòu)的有效連接方式[44]。國內(nèi)外學(xué)者對工程竹材鋼填板、鋼夾板螺栓連接節(jié)點的承載力影響因素和承載力計算進(jìn)行了深入研究。不同于美國規(guī)范，歐洲規(guī)范將雙剪連接分為鋼填板連接和薄、厚2種鋼板鋼夾板連接，其破壞模式一般有I型、III型和IV型(圖5)。周愛萍等[44]進(jìn)行重組竹鋼填板螺栓連接的受拉試驗，發(fā)現(xiàn)端距在大于7 d時對承載力的影響幾乎可以忽略，同時將試驗結(jié)果與中美木結(jié)構(gòu)規(guī)范計算公式進(jìn)行對比，均偏保守，存在較大誤差。惠勃濤[45]、王辰熙[46]研究膠合竹鋼填板螺栓節(jié)點連接，分別對橫紋和順紋方向承載力計算方法及設(shè)計提出了可靠的建議。崔兆彥等[47]對單螺栓和多螺栓鋼夾板連接進(jìn)行試驗研究，以厚徑比、螺栓數(shù)量及排列方式、間距和端距作為影響因素，發(fā)現(xiàn)單列螺栓延性更好，驗證了中歐規(guī)范對其承載力計算的相對適用性。王辰熙[46]、孫平[48]運用有限元模擬螺栓連接的承載性能及其應(yīng)力分布，結(jié)果顯示模擬得到的極限承載力數(shù)值與實際接近，但屈服荷載偏大。李霞鎮(zhèn)等[49-51]進(jìn)行重組竹鋼夾板螺栓連接受壓試驗研究，基于螺栓直徑、端距及厚徑比等影響因素，揭示了節(jié)點承載特性和破壞形態(tài)，同時驗證了中國2017年木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范預(yù)測其承載能力的適用性。陳愛軍等[52]發(fā)現(xiàn)采用鋼夾板螺栓連接方式在長度方向上可使梁增長，螺栓順紋間距對梁的抗彎性能影響顯著，承載力隨螺栓順紋間距增大而提高，在合理區(qū)間內(nèi)可以通過增加端距和直徑、鋼夾板和主材厚度來提高承載力，同時證明有限元數(shù)值模擬方法的適用性。

圖5 螺栓連接典型破壞模式[46]Fig.5 Typical failure mode of bolted connection

總的來說，目前國內(nèi)外研究者對影響工程竹材螺栓連接承載力的因素進(jìn)行了大量研究，如構(gòu)件厚徑比、螺栓直徑、端距邊距、加載方式、含水率等，現(xiàn)有研究中依據(jù)木結(jié)構(gòu)規(guī)范得到的承載力計算值雖然具有一定程度上的適用性，但是均與試驗值存在較大誤差。其中，歐洲規(guī)范和美國規(guī)范都偏保守，因為美國木結(jié)構(gòu)規(guī)范選用容許應(yīng)力設(shè)計法，所以安全系數(shù)偏高；而歐洲規(guī)范考慮的節(jié)點需要經(jīng)過較大的彎曲變形，才能使螺桿產(chǎn)生顯著拉力及側(cè)向力方向的分量，在鋼夾板、鋼填板螺栓連接中鋼板形變量較小，因此這并不適用于工程竹材鋼夾板、鋼填板螺栓連接的承載力計算[51]。根據(jù)以上文獻(xiàn)[44-51](表1)，依據(jù)各國規(guī)范計算得到的承載力理論值與實際試驗值的誤差大小表現(xiàn)為：美國規(guī)范>2003年木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范>2003年木結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊>歐洲規(guī)范>加拿大規(guī)范>2017年中國木結(jié)構(gòu)規(guī)范。我國木結(jié)構(gòu)規(guī)范2017年和2003年相比，選用銷槽承壓強度以替換木材順紋抗壓強度，具有更強的適用性。雖然木材和工程竹材有一定的相似性，但是其在結(jié)構(gòu)、性能上仍具有很大的差別，因此需要對節(jié)點結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行更深入地理論研究，得到適用于工程竹材節(jié)點承載力的計算方法，建立符合工程竹結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)計算方法，從而推動工程竹材在戶內(nèi)外的進(jìn)一步應(yīng)用。

表1 工程竹材螺栓連接破壞形式與理論承載力計算比較Tab.1 Comparison of failure modes and theoretical bearing capacity of engineered bamboo bolted connections

2.3 金屬套筒連接

圓竹構(gòu)件采用鋼絲繩索綁扎、榫接等傳統(tǒng)連接方式往往存在節(jié)點處強度減小、易劈裂和折斷等缺陷，于是便出現(xiàn)金屬套筒節(jié)點連接方式以應(yīng)用于現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)中，而圓竹的尺寸一般無法統(tǒng)一，連接件難以實現(xiàn)批量生產(chǎn)[7]。工程竹材的出現(xiàn)解決了這一問題，完全適用這類裝配式連接方式。

參考輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點連接性能，國內(nèi)外學(xué)者對有無外鋼板、鋼板厚度、螺栓數(shù)量、螺栓強度等參數(shù)對承載力、節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度、延性系數(shù)、抗震性能、耗能系數(shù)的影響進(jìn)行了大量研究。李玉順等[53-54]對T型鋼—竹組合梁柱節(jié)點進(jìn)行擬靜力試驗和地震作用下的有限元分析，結(jié)果均表明螺栓數(shù)量和螺栓強度無明顯影響，而翼緣板厚加勁肋對增強節(jié)點的剛度、極限承載力影響顯著。伍悉嘉[55]運用有限元分析發(fā)現(xiàn)增加勁肋和套管可以提高膠合竹梁柱的承載性能和節(jié)點穩(wěn)定性，勁肋高度對其影響不大，而套管長度、套管和勁肋厚度影響較大，且厚度不宜小于12 mm。冷予冰[56]對鋼填板螺栓節(jié)點和外包鋼板螺栓節(jié)點2種工程竹梁柱節(jié)點進(jìn)行單調(diào)加載對比試驗，試驗結(jié)果表明使用外包鋼板有利于增強節(jié)點的抗側(cè)性能。

圖6 增設(shè)脛肋[54]Fig.6 Use outer steel plate

圖7 使用外包鋼板[56]Fig.7 Add tibia rib

以上節(jié)點連接方式解決了梁柱連接問題，在此基礎(chǔ)上，周軍文等[57-58]設(shè)計1種新型裝配式框架節(jié)點，同時解決梁柱和柱柱連接問題，研究單調(diào)和循環(huán)荷載下鋼板厚度對重組竹梁柱連接節(jié)點受力性能的影響，結(jié)果表明可以通過增加鋼板厚度來提高節(jié)點處的剛度和極限承載力，但是會導(dǎo)致地震作用下耗能系數(shù)的減小。

圖8 梁柱和柱柱連接組合[58]Fig.8 Beam-column and column-column connection combination

3 結(jié)論與展望

綜上所述，國內(nèi)外對于工程竹材力學(xué)性能和節(jié)點連接性能的研究都在逐步深入，筆者認(rèn)為以下方面需要進(jìn)一步研究：

在力學(xué)性能研究上，工程竹材作為戶內(nèi)外用材及結(jié)構(gòu)建材具有優(yōu)越性，力學(xué)性能強，具有高耐候性、高尺寸穩(wěn)定性以及強耐腐性等優(yōu)點。在實際工程應(yīng)用中多為大尺寸構(gòu)件，隨著構(gòu)件尺寸的增大，自然環(huán)境對工程竹材的腐朽和力學(xué)性能的影響也會越大，其影響機理尚不明確，需要進(jìn)一步研究；同時，目前主要仍基于短期試驗，無法模擬真實情況，需要對經(jīng)受長期荷載時工程竹材的力學(xué)性能變化規(guī)律做出進(jìn)一步探討。

在節(jié)點連接性能研究上，節(jié)點連接性能作為現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的重要保障，節(jié)點處接合強度不足會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞。因此對工程竹材的連接方式進(jìn)行更系統(tǒng)地研究具有必要性，需要總結(jié)出適合不同結(jié)構(gòu)形式的工程竹材節(jié)點連接方式及配合參數(shù)；由于缺乏工程竹材相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，試驗方法以及承載力計算仍依據(jù)國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范，需要加快制定符合工程竹結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；規(guī)模化的工程竹材生產(chǎn)企業(yè)目前還沒有形成，工程竹材的應(yīng)用主要為示范性案例，缺乏社會認(rèn)可度以及材料價格高等問題亟待解決。