現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展

李 晨，張 軍

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100）

我國(guó)處于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之中，受到太平洋、印度洋和菲律賓海等3 大板塊的不斷擠壓，地震活動(dòng)頻度較高，導(dǎo)致我國(guó)西南、西北地區(qū)地震頻發(fā)。20世紀(jì)以來，我國(guó)出現(xiàn)過多次大地震，如唐山地震、汶川地震及雅安地震等，造成了慘重的損害，建筑結(jié)構(gòu)如何更好地抗震防震也是工程界一直致力研究的重點(diǎn)問題。

竹材是一種綠色節(jié)能環(huán)保建筑材料，吸碳固碳能力出色，廢棄后也能較短時(shí)間內(nèi)自然降解，大力推廣應(yīng)用竹結(jié)構(gòu)建筑，符合綠色建筑發(fā)展理念，契合國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和重要戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。竹材與木材相似，具有自重輕、塑性與韌性好的優(yōu)點(diǎn)，在地震過程中，相比混凝土結(jié)構(gòu)，竹結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震效應(yīng)較小。目前，竹結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還暫未編制出版，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本以木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范作為參考，存在一定的偏差性。

1 竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能研究

竹質(zhì)剪力墻的抗震性能是眾多學(xué)者主要開展研究的重點(diǎn)，熊澤龍[1]制作了三面帶鋼板連接件的重組竹剪力墻，三面墻體的釘間距不同，對(duì)墻體開展了低周往復(fù)試驗(yàn)研究，考察不同釘間距對(duì)剪力墻的抗震性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，剪力墻通過設(shè)置鋼板連接件連接后整體強(qiáng)度和剛度均較高，并且其中釘間距100 mm 的墻體抗側(cè)性能最好。根據(jù)理論分析推導(dǎo)了竹剪力墻抗側(cè)剛度的計(jì)算公式，并提出了輕質(zhì)竹結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化結(jié)構(gòu)與集成方式。

在研究過程中，研究者們均發(fā)現(xiàn)竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度較低，在受力過程中容易發(fā)生明顯變形，竹質(zhì)剪力墻體設(shè)計(jì)主要控制因素是撓度，為能夠更好地充分利用竹材的強(qiáng)度，部分學(xué)者設(shè)計(jì)了竹-木組合墻體、鋼-竹組合墻體，并對(duì)墻體開展了抗震性能研究。李智等[2]為了推廣膠合竹材在輕型木結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用，根據(jù)美國(guó)ASTM E2126-09 墻體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了2 種不同連接釘型的輕型竹-木組合剪力墻，采用10 mm 厚竹膠合板作為覆面板，分別采用相同長(zhǎng)度的圓射釘和鋼排釘連接。對(duì)墻體開展了滯回加載試驗(yàn)，研究組合剪力墻的抗震性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，2 種相同長(zhǎng)度但不同延性的國(guó)產(chǎn)射釘連接下，采用鋼排釘承載力高于圓射釘。荷載作用下墻體具有良好的延性，可以滿足目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范中針對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)墻體提出的抗側(cè)力設(shè)計(jì)要求。李玉順等[3]提出了一種新型的鋼-竹輕質(zhì)組合墻體，墻體以壓型鋼板為骨架芯板，竹簾膠合板作為覆面板粘貼在兩側(cè)鋼板上，并對(duì)墻體開展抗震性能研究。結(jié)果表明，影響組合墻體承載力和抗震性能的主要因素是壓型鋼板的厚度和波高，而竹簾膠合板厚度對(duì)墻體的水平抗剪強(qiáng)度和剛度的影響不大；同時(shí)根據(jù)彈性階段組合墻體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，提出了組合墻體的力學(xué)簡(jiǎn)化模型及承載力計(jì)算方法。許杰[4]設(shè)計(jì)了一種以竹材膠合板為主要結(jié)構(gòu)材料、冷彎薄壁C 型鋼為龍骨的節(jié)能型鋼-竹組合墻體，并對(duì)墻體開展了抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合墻體滯回曲線在加載前期基本呈現(xiàn)梭形，后期發(fā)展為反S 形，其中墻頂位移較大，最終由于墻體邊緣處型鋼龍骨的屈服而發(fā)生彎曲破壞，受力過程中組合墻體的延性性能較好。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)型鋼壁厚及截面尺寸是提高墻體承載力的關(guān)鍵影響因素，而竹材覆面板的厚度變化對(duì)承載力無明顯影響。江忠畫等[5]在冷彎薄壁型鋼墻體表面覆蓋了木碳纖維板，并對(duì)兩榀墻體足尺試件進(jìn)行了低周往復(fù)試驗(yàn)，研究竹木碳纖維板對(duì)冷彎薄壁型鋼墻體抗震性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在往復(fù)荷載作用下最終墻面板發(fā)生承壓破壞，連接螺釘發(fā)生剪切破壞，同時(shí)立柱、剛性斜撐發(fā)生彎扭屈曲，下導(dǎo)軌、剛性橫撐局部屈曲。墻體受力過程中竹木碳纖維板起到明顯的支撐作用，與無覆板墻體相比，覆板后墻體的承載能力、抗側(cè)剛度和耗能能力明顯提升。高宛成等[6]設(shè)計(jì)制作了7 片以竹膠合板作為覆面板的鋼-竹組合墻體試件，對(duì)墻體抗震性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在地震荷載作用下，組合墻體滯回性能比不覆面板時(shí)優(yōu)越，但仍存在較大的粘結(jié)滑移和捏縮現(xiàn)象，單面覆板的組合墻體耗能系數(shù)優(yōu)于不覆面墻體。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，采用竹板作為覆面板、型鋼作為骨架的鋼-竹組合墻體能夠有效地提升墻體抗震性能，組合方式切實(shí)可行，但影響組合墻體承載力和抗震性能的主要因素是型鋼的尺寸，而竹板厚度對(duì)墻體的抗震性能影響不大。

田黎敏等[7-8]設(shè)計(jì)了2 種組合墻體，一種為噴涂保溫材料-原竹骨架組合墻體，另一種為噴涂輕質(zhì)復(fù)合砂漿-密布原竹組合墻體，并分別開展了抗震試驗(yàn)研究。研究表明，噴涂保溫材料-原竹骨架組合墻體受剪承載力、抗側(cè)剛度及抗震性能均優(yōu)于原竹骨架墻體；噴涂輕質(zhì)復(fù)合砂漿-密布原竹組合墻體的主要破壞模式為抗拔件被拉出，墻體底部發(fā)生破壞，墻體的延性和耗能能力較好，且具有較高的抗剪承載力和初始抗側(cè)剛度。與壓型鋼板-竹膠板組合墻體相比，噴涂輕質(zhì)復(fù)合砂漿-密布原竹組合墻體具有更好的抗震性能和耗能能力；與噴涂保溫材料-原竹骨架組合墻體相比，噴涂輕質(zhì)復(fù)合砂漿-密布原竹組合墻體經(jīng)濟(jì)性好。

除了竹質(zhì)剪力墻構(gòu)件抗震性能研究以外，部分學(xué)者還開展了鋼-竹組合柱的抗震性能研究。蔣天元[9]提出了一種新型的鋼-竹組合柱，以2 塊薄壁C 型鋼為基本骨架進(jìn)行拼接，在型鋼腹板及翼緣處用結(jié)構(gòu)膠黏劑黏結(jié)4 塊竹簾膠合板，形成截面形式為箱型的鋼-竹組合柱，并對(duì)5 根不同尺寸的組合柱開展了抗震試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合柱長(zhǎng)細(xì)比和鋼板厚度是影響柱極限承載力和剛度的主要因素，而影響柱延性性能的主要因素是軸壓比。趙衛(wèi)鋒[10]以膠合竹板為主材，研發(fā)了一種新型的橫向拉桿約束薄壁型鋼管/多層竹膠板組合空芯柱（SBCCB），對(duì)9 根試件進(jìn)行了低周反復(fù)試驗(yàn)。結(jié)果表明，SBCCB 破壞形態(tài)主要為柱腳膠合面的開裂破壞和膠合竹板材料橫向斷裂破壞，截面組合方式對(duì)其破壞模式有顯著影響，增大組合柱截面尺寸和長(zhǎng)細(xì)比能改善其抗震性能，組合柱有較好的側(cè)向彈性變形能力和耗能性能，而彈塑性變形和延性能力不具優(yōu)勢(shì)。

2 竹結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

竹結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方式主要有榫卯連接、齒板連接、釘接和螺栓連接等，通過研究發(fā)現(xiàn)榫卯連接、齒板連接、釘接的節(jié)點(diǎn)承載力較低。目前，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑最常用的是螺栓連接。馮立[11]選取了一個(gè)4 榀梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)框架，對(duì)節(jié)點(diǎn)開展了低周往復(fù)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)螺栓群在受力過程中受力不均勻，各螺栓彎曲變形大小不同，受力過程中作為基材的膠合竹發(fā)生撕裂，最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。馮巖[12]針對(duì)竹框架結(jié)構(gòu)中存在的結(jié)構(gòu)柱蠕變過大從而需要增大設(shè)計(jì)尺寸的問題，設(shè)計(jì)了一種新型鋼柱-工程竹梁的組合框架體系，梁柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域由上下2 塊耗能板和一個(gè)鉸組成。對(duì)耗能節(jié)點(diǎn)開展了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型耗能節(jié)點(diǎn)的耗能性能良好，受力過程中竹梁、鋼柱與耗能節(jié)點(diǎn)處的連接保持良好，耗能板均率先進(jìn)入非線性并且出現(xiàn)屈曲，并提出了一個(gè)由簡(jiǎn)化的對(duì)稱三折線骨架曲線和簡(jiǎn)化六邊形滯回規(guī)則構(gòu)成的恢復(fù)力模型。魏孝勝[13]提出了一種連接鋼柱和竹梁的新型耗能節(jié)點(diǎn)，并對(duì)足尺耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)破壞位置均為耗能板處，節(jié)點(diǎn)的彈性剛度與耗能板的跨厚比無關(guān)，節(jié)點(diǎn)峰值彎矩隨著耗能板跨厚比的減小而增大，耗能板跨厚比大于10 的節(jié)點(diǎn)延性和耗能性能優(yōu)于跨厚比小于10 的節(jié)點(diǎn)。蔣天元[9]對(duì)工字型鋼-竹組合梁和箱型鋼-竹組合柱的連接節(jié)點(diǎn)開展抗震性能研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，連接節(jié)點(diǎn)處螺栓強(qiáng)度等級(jí)和個(gè)數(shù)對(duì)組合梁柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形的影響不大，通過在節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置加勁肋能夠有效地提升節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角剛度和抗震性能。周軍文等[14]提出了一種新型的竹木框架裝配節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了3 個(gè)不同尺寸的足尺節(jié)點(diǎn)試件開展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的破壞模式為梁翼緣鋼板受壓屈曲，節(jié)點(diǎn)柱套板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的耗能能力和承載力有明顯的影響。

3 竹結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究

2008年汶川地震后，為了加快震后重建工作，由南京林業(yè)大學(xué)張齊生院士和東南大學(xué)呂志濤院士共同主持了“災(zāi)后重建新型抗震竹質(zhì)工程材料安居示范房的設(shè)計(jì)與建造研究”項(xiàng)目，按照抗震設(shè)防烈度8 度設(shè)計(jì)并建設(shè)了竹質(zhì)工程材料安居示范房，如圖1所示。呂清芳等[15]對(duì)新型抗震竹質(zhì)工程材料安居示范房設(shè)計(jì)方法及建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，安居示范房采用竹簾膠合板制作樓屋面板及墻板構(gòu)件、竹材層積材制作梁、竹材重組材制作柱，采用梁-柱+擱柵-墻骨柱構(gòu)成的多約束、多傳力路徑的受力體系，抗震性能優(yōu)異。同樣為了支持四川地震災(zāi)區(qū)震后重建工作，肖巖等[16]在湖南大學(xué)設(shè)計(jì)并建設(shè)了一幢輕型竹結(jié)構(gòu)別墅，如圖2所示。輕型竹結(jié)構(gòu)住宅采用框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)參照了《Uniform Building Code》中輕型木結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)方法。通過剪力墻和橫隔層形成的側(cè)向力抵抗系統(tǒng)來抵抗風(fēng)或地震產(chǎn)生的側(cè)向力。

圖1 竹結(jié)構(gòu)安居示范房

圖2 湖南大學(xué)竹結(jié)構(gòu)別墅

2012年，Luna[17]等對(duì)一個(gè)2 層膠合竹框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了橫向荷載試驗(yàn)，其中3 個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置K 型支撐，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性。章叢俊等[18]對(duì)2層3×4 跨的純框架結(jié)構(gòu)竹結(jié)構(gòu)縮尺模型開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用實(shí)際地震記錄El Centro 波、Taft 波和模擬地震波SHW 波作為振動(dòng)臺(tái)的地震波輸入。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)竹結(jié)構(gòu)的主體框架具有較好的耗能能力和優(yōu)異的抗震性能，但結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移較大，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以通過增強(qiáng)構(gòu)件的連接剛度、增大柱截面和增設(shè)支撐等措施來減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移。翟佳磊等[19]設(shè)計(jì)并制作了2 榀2 層單跨鋼-竹組合框架及2 個(gè)鋼-竹組合框架節(jié)點(diǎn)模型，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼-竹組合框架結(jié)構(gòu)的破壞是由于框架節(jié)點(diǎn)域受到較大剪切變形，使得框架柱的竹膠板和槽鋼產(chǎn)生脫膠，導(dǎo)致框架柱失去承載力而發(fā)生破壞；設(shè)置加勁肋后框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)域剛度、承載力、耗能能力得到大幅提升。陳國(guó)等[20]設(shè)計(jì)了一個(gè)輕型竹結(jié)構(gòu)房屋的縮尺模型，并開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和推覆試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.3 g 以下的地震中，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，施加多次重復(fù)地震荷載，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生輕微破壞但不會(huì)發(fā)生倒塌。試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)在0.1、0.3、0.4、0.5 g的地震中最大層間位移角小于規(guī)范中的限值。楊銳等[21]對(duì)一幢竹框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了抗震性能模擬分析，通過分析得出，多遇地震水準(zhǔn)下，結(jié)構(gòu)層間位移角均小于1/1 000，能夠較好地滿足小震情況下整體結(jié)構(gòu)處于彈性范圍的要求；在罕遇地震水準(zhǔn)中，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均大于1/100，說明結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好。郭繼清[22]通過模擬分析研究了設(shè)置支撐的竹框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，并進(jìn)行了支撐布置的優(yōu)化分析。結(jié)果表明，通過布置支撐能夠有效地減小竹結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移。Li 等[23]對(duì)竹材多層抗震框架結(jié)構(gòu)開展了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，對(duì)于重組竹柱典型的2 種破壞模式為橫向變形過大不能繼續(xù)承載破壞和頂部纖維撕裂破壞；重組竹柱在卸載后可恢復(fù)80%以上的變形，具有優(yōu)良的彈性回復(fù)；重組竹柱能否承受梁的載荷實(shí)際上是由剛度控制的，而不是強(qiáng)度。Lv 等[24]對(duì)一個(gè)帶摩擦阻尼器的CLB 墻體開展了試驗(yàn)研究和分析，結(jié)果表明，CLB 墻體微小的變形表現(xiàn)出理想的自恢復(fù)能力，累積能量耗散曲線表明，CLB 墻體的能量耗散能力可以通過CFD 大大提高，根據(jù)CLB 材料和后張鋼筋的應(yīng)變、應(yīng)力和損傷程度，提出了CLB 墻體在側(cè)向力作用下的極限狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本文分析介紹的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震性能的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震性能研究已有一定成果，但是還需要在以下幾方面進(jìn)一步深入探討研究：①結(jié)構(gòu)體系。目前整體結(jié)構(gòu)抗震研究基本以框架結(jié)構(gòu)為主，并且層數(shù)基本以1～2 層為主，對(duì)于大力推廣應(yīng)用竹結(jié)構(gòu)建筑不具有代表性。②連接形式與性能。通過現(xiàn)有研究基礎(chǔ)可以發(fā)現(xiàn)單一的純竹結(jié)構(gòu)的建造高度會(huì)受到竹材材料特性的限制，竹-鋼、竹-混凝土組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)是重要的發(fā)展方向，竹材和鋼材、混凝土的連接形式與協(xié)同工作機(jī)制是研究關(guān)鍵。③設(shè)計(jì)理論與規(guī)范體系完善?！半p碳”背景下，大力發(fā)展現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)是必然趨勢(shì)，而目前竹結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還處于空白，必須加快完善現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。