毛竹圓竹基礎(chǔ)力學(xué)性能

摘 要：【目的】為促進(jìn)毛竹圓竹在房屋建筑、巖土地基、道路橋梁等方面的應(yīng)用，需要提供毛竹圓竹部件在工程中有可靠的使用依據(jù)，而系統(tǒng)闡述毛竹圓竹基礎(chǔ)力學(xué)性能是推廣毛竹圓竹結(jié)構(gòu)材料的重要研究工作?！痉椒ā恳悦駡A竹為原材料，依據(jù)LY/T 2564—2015測定毛竹圓竹的順紋抗剪強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、環(huán)剛度以及抗彎強(qiáng)度并分析對應(yīng)的荷載-位移曲線，選取抗彎強(qiáng)度試件進(jìn)行三維非接觸式-高精度全場應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測?！窘Y(jié)果】毛竹圓竹順紋抗剪強(qiáng)度為27.36 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為56.67 MPa，順紋抗拉強(qiáng)度為141.46 MPa，環(huán)剛度為104.74 N/mm2，抗彎強(qiáng)度為133.31 MPa；毛竹圓竹的順紋抗剪承載力、順紋抗壓承載力和環(huán)剛度均與直徑呈正相關(guān)，直徑在70～90 mm范圍內(nèi)，上述承載力均隨毛竹圓竹直徑增大而增大；毛竹圓竹的順紋抗剪強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、環(huán)剛度和抗彎強(qiáng)度在試驗(yàn)加載過程中試件均出現(xiàn)較明顯的開裂或變形后持續(xù)加載才喪失承載力；通過DIC記錄毛竹圓竹達(dá)到破壞荷載時(shí)的位移從下部到上部逐漸減少，從2.564 mm減少到2.269 mm；毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度的應(yīng)變場數(shù)量級(jí)峰值下部為-163.904×105微應(yīng)變，上部為152.417×105微應(yīng)變，結(jié)構(gòu)破壞呈現(xiàn)上部壓應(yīng)力和下部拉應(yīng)力同時(shí)且近似相同的增長?！窘Y(jié)論】試驗(yàn)表明，中空的毛竹圓竹具有較高的承載力，并且隨著毛竹圓竹的直徑增大承載力有所增大，從荷載-位移曲線可以看出毛竹圓竹具有一定的塑性變形能力，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的破壞表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：圓竹；荷載-位移曲線；應(yīng)力-應(yīng)變；DIC

中圖分類號(hào)：S795 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-923X（2024）08-0169-11

基金項(xiàng)目：湖南省水利科技項(xiàng)目（XSKJ2023059-33）；湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020WK2018）

The mechanical properties of round culm in Phyllostachys pubescens

CAO Zhenhua1， LIU Yuan1， CHANG Shanshan1， LI Ting2， LIU Gonggang1， BAI Yuanjuan1， LIAO Yuanyuan1， HU Jinbo1，2， LIU Jingsheng1，3

（1. College of Material Science and Engineering， Central South University of Forestry Technology， Changsha 410004， Hunan， China； 2. Hunan Taohuajiang Bamboo Science and Technology Co.， Ltd， Taojiang 413400， Hunan， China； 3. Foshan Hold Machinery Co.， Ltd， Foshan 528300， Guangdong， China）

Abstract：【Objective】In order to promote the application of Phyllostachys pubescen in buildings， roads， bridges and geotechnical foundations， it is necessary to provide reliable use basis of P. pubescens components in engineering. Systematically elaborating the mechanical properties of P. pubescens is an important basic work for popularizing its structural materials.【Method】Taking P. pubescens as raw material， the longitudinal shear strength， compressive strength， tensile strength， ring stiffness and bending strength of P. pubescens were measured according to LY/T 2564-2015， and the corresponding load-displacement curves were analyzed. The bending strength specimens were selected for three-dimensional non-contact and high-precision full-field strain real-time monitoring.【Result】The shear strength， compressive strength， tensile strength， ring stiffness and bending strength of P. pubescens were 27.36 MPa， 56.67 MPa， 141.46 MPa， 104.74 N/mm2 and 133.31 MPa； The shear bearing capacity， compressive bearing capacity and ring stiffness were positively correlated with the diameter， which was in the range of 70-90 mm， and the above bearing capacity increased with the increase of the diameter. The longitudinal shear strength， longitudinal compressive strength， ring stiffness and bending strength of the samples all showed obvious cracking or deformation during the experimental loading process， and then the bearing capacity was lost after continuous loading. DIC recorded that the displacement of P. pubescens when it reached the failure load gradually decreased from the lower part to the upper part， from 2.564 mm to 2.269 mm； The micro-strain in the lower part was -163.904×105， and the micro-strain in the upper part was 152. 417×105. The structural failure showed that the upper compressive stress and the lower tensile stress increased at the same time and approximately the same.【Conclusion】Experiments show that the hollow P. pubescens has a high bearing capacity， and with the increase of the diameter of P. pubescens bearing capacity increased， from the load-displacement curve can be seen that P. pubescens has a certain degree of plastic deformation capacity， in the practical application of the destruction of the performance of a very good.

Keywords： Phyllostachys pubescens； load-displacement curve； stress - strain； DIC

中國政府與國際竹藤組織于2022年11月聯(lián)合發(fā)起“以竹代塑”倡議，次年11月發(fā)布了《“以竹代塑”倡議的全球行動(dòng)計(jì)劃（2023—2030）》，旨在發(fā)揮竹子優(yōu)勢，為高能耗、難降解的塑料制品提供基于自然的解決方案，合力解決塑料污染問題，助力實(shí)現(xiàn)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。實(shí)際上竹材具有成材率高、易加工、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，我國竹材也已利用在建筑、水利設(shè)施、邊坡道路加固等等，是理想的工程結(jié)構(gòu)材料[1-3]，在這些領(lǐng)域推廣使用竹材可以減少水泥、鋼筋、砂石等高耗能、難再生材料的使用，進(jìn)一步為可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。圓竹是竹材利用的主要形式之一，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，在建筑領(lǐng)域有著傳統(tǒng)建筑材料不可替代的作用[4-7]。有研究表明，毛竹圓竹的抗壓性能和抗彎性能優(yōu)越，同時(shí)具有比強(qiáng)度高，抗沖擊韌性好，剛度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8-12]。從人們社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中可以發(fā)現(xiàn)，房屋建筑領(lǐng)域和基礎(chǔ)工程等領(lǐng)域均有使用毛竹圓竹材，例如在建筑施工過程中早期的腳手架就是使用毛竹圓竹竿來作支撐[13]，還有一些工地的臨時(shí)住宅建筑也是使用毛竹圓竹搭建框架[14]。隨著竹材在建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展[15]，毛竹圓竹被廣泛的應(yīng)用在房屋建筑的結(jié)構(gòu)件以及大型建筑工程中，小型結(jié)構(gòu)件如柱[16]、梁[17]、樓板[18]、墻板[19]，大型建筑如北京世園會(huì)毛竹圓竹竹藤館[20]，長城腳下的竹屋[21]。在樁基相關(guān)領(lǐng)域，因竹材良好的抗壓性能和抗拉性能以及取材方便的特點(diǎn)，被應(yīng)用于路堤加固[22]、邊坡修護(hù)[23]、擋土墻支護(hù)[24]等。

毛竹圓竹部件因其取材容易、加工簡單、價(jià)格低廉，為大眾所接受。在傳統(tǒng)竹家具行業(yè)中，毛竹圓竹家具的發(fā)展進(jìn)入到創(chuàng)新性[25-26]、減量化[27]、可持續(xù)性[28]的設(shè)計(jì)，然而在建筑領(lǐng)域內(nèi)較少見到按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對毛竹圓竹基礎(chǔ)力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)測定，在當(dāng)前安全生產(chǎn)重于一切的社會(huì)發(fā)展過程中，急需要展開毛竹圓竹力學(xué)開展探究工作。張丹等[9]參照ISO22157-1和2：2004（E）對毛竹圓竹展開研究，探測出不同竹齡和不同部位的順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度變化規(guī)律。于金光等[10]與張丹等[9]的研究一樣分析出了竹節(jié)和含水率對毛竹圓竹的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和環(huán)剛度等性能的影響。綜上所述，近些年并未見到參照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)研究毛竹圓竹的基礎(chǔ)力學(xué)性能的相關(guān)報(bào)道。為了便于國內(nèi)工程技術(shù)人員合理設(shè)計(jì)和選擇毛竹圓竹部件用于工程場景，本研究依據(jù)《LY/T 2564—2015圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[29]對毛竹圓竹的順紋抗剪強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、環(huán)剛度和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測定，通過對毛竹圓竹的基礎(chǔ)力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)測試和分析，并揭示本研究所測力學(xué)指標(biāo)中的荷載-位移關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用毛竹圓竹產(chǎn)自湖南省桃江縣，竹齡為4～6年生。在毛竹圓竹生長區(qū)內(nèi)，在不少于100株的毛竹圓竹中，隨機(jī)挑選成熟且無明顯缺陷的試材。所有試件均從離地高0.3 m左右的整竹節(jié)處向上截取3 m，將截取好的毛竹圓竹加工成試驗(yàn)所需大小后雙端頭樹脂密封運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并置于恒溫恒濕場地儲(chǔ)存，含水率控制在12%左右后用于試驗(yàn)。

按照《LY/T 2564—2015圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》加工試驗(yàn)用試件，毛竹圓竹順紋抗剪、毛竹圓竹順紋抗壓和毛竹圓竹環(huán)剛度的試件尺寸均為H mm×D mm×T mm，其中高度H等于直徑D，分別取為7～8、8～9、9～10 cm，T為毛竹圓竹竹壁厚度。竹材順紋抗拉試件尺寸為L mm×W mm×T mm，其中長度L為280 mm，寬度W為10 mm。試樣中部60 mm長度的有效部分被加工為4 mm寬。毛竹圓竹抗彎試件長度L為所選毛竹圓竹直徑的30倍，毛竹圓竹直徑D均控制在10 cm左右。各組試驗(yàn)試件尺寸數(shù)量參數(shù)如表1。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《LY/T2564—2015圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，對毛竹圓竹的力學(xué)性能進(jìn)行測試。毛竹圓竹順紋抗剪試驗(yàn)的試件置于支座中心，然后在毛竹圓竹上下兩端面交錯(cuò)放置兩互相垂直的三角墊片使其上下邊緣對齊，以80 N/mm2均勻速度加載，直至試樣破壞。毛竹圓竹順紋抗壓試驗(yàn)的試件被以80 N/mm2每分鐘勻速加載，直至試件破壞。毛竹圓竹環(huán)剛度試驗(yàn)的試件被放置在兩平行壓板之間，以2 mm/min勻速垂直加載，試驗(yàn)記錄內(nèi)徑d的變形量達(dá)到3%時(shí)的荷載及變形量。竹材順紋抗拉試驗(yàn)的試件兩端被夾緊在拉伸機(jī)的鉗口中，保證試件豎直地安裝在試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)時(shí)以15 N/mm2均勻速度進(jìn)行加載。毛竹圓竹抗彎試驗(yàn)采用四點(diǎn)加載方式進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)以20 mm/min均勻速度進(jìn)行加載。毛竹圓竹試件及加載示意圖如圖1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

100 kN力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南天辰MWW-100A）用于毛竹圓竹順紋抗剪試驗(yàn)、毛竹圓竹環(huán)剛度試驗(yàn)和毛竹順紋抗拉試驗(yàn)、2 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)（無錫建儀TYE-2000E）用于毛竹圓竹順紋抗壓試驗(yàn)、3 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)（無錫新路達(dá)TYA-3000S）用于毛竹圓竹抗彎試驗(yàn)、三維非接觸式-高精度全場應(yīng)變測量儀（DIC，合肥千眼狼PMLAB RDIC-3D）、切割鋸（J3G-FF03-400）、烘箱、砂光機(jī)、電子數(shù)顯卡尺。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛竹圓竹順紋抗剪強(qiáng)度

圖2毛竹圓竹抗剪試驗(yàn)荷載-位移曲線結(jié)果表明，在試驗(yàn)初始加載階段，曲線0A段在0～0.2 mm內(nèi)有一段低剛度的滑移，但不同直徑的毛竹圓竹承載曲線的斜率有明顯差異，斜率0A80>0A90>0A70，這主要是受毛竹圓竹具有很多孔隙與間距所影響；試件均勻受荷后，曲線近似呈現(xiàn)為直線（線性階段AB段），此時(shí)試件的變形為彈性變形，但AB90斜率明顯大于AB80和AB70，這表明在線性階段受力時(shí)毛竹圓竹直徑越大剛度越大，這與毛竹圓竹空心受力特性有關(guān)，直徑越大，毛竹圓竹中空面積越大，結(jié)構(gòu)抗變形能力越強(qiáng)；隨后曲線斜率進(jìn)一步增大，試驗(yàn)進(jìn)入荷載強(qiáng)化階段BC段，此時(shí)毛竹圓竹出現(xiàn)塑性變形，毛竹圓竹進(jìn)一步被壓縮增大了抗剪承載力，此時(shí)BC90、BC80、BC70三段斜率開始近似相同，表明三組試件的剛度均逐漸增大到最大值；最后曲線進(jìn)入屈服階段CD段，此時(shí)曲線斜率開始逐漸減小，荷載逐漸趨近極限荷載，毛竹圓竹此時(shí)開始出現(xiàn)裂縫，并且隨位移持續(xù)增大，裂縫急劇增大，毛竹圓竹因壓力的作用沿著交錯(cuò)放置的墊片邊緣出現(xiàn)貫穿性裂縫，從而喪失承載力。毛竹圓竹的抗剪試驗(yàn)破壞較為簡單，均為剪切破壞，試件的破壞從竹黃側(cè)沿著剪切面產(chǎn)生破裂（圖3）。

由表2可知毛竹圓竹具有良好的抗剪力學(xué)性能，最大破壞荷載為77.59 kN，最小破壞荷載為38.88 kN，平均破壞荷載達(dá)到65.35 kN，平均抗剪強(qiáng)度為18.37 MPa，強(qiáng)度的變異系數(shù)為7.58%，所取材料變異性良好，強(qiáng)度值結(jié)果可靠性高。根據(jù)《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》含水率12%時(shí)順紋抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式[30]，毛竹圓竹順紋抗剪強(qiáng)度達(dá)到27.36 MPa，與張丹等[9]對竹片抗剪強(qiáng)度測試的結(jié)果比較，同樣的測試條件，測試的試件單元不同，其兩者的順紋抗剪強(qiáng)度相差較大，由此說明開發(fā)利用圓竹結(jié)構(gòu)部件必須要研究圓竹單元的力學(xué)強(qiáng)度。

2.2 毛竹圓竹順紋抗壓強(qiáng)度

由圖4毛竹圓竹抗壓試驗(yàn)荷載-位移曲線可知，試驗(yàn)初始加載階段可分為兩種明顯現(xiàn)象，第一種是位移在0～0.7 mm內(nèi)，0A90、0A80和0A70三段斜率可近似視為相同，竹材內(nèi)部空隙逐漸被壓縮密實(shí)，且對比毛竹圓竹順紋抗剪試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，毛竹圓竹順紋抗壓試驗(yàn)滑移階段時(shí)間更長，這主要是因?yàn)樵诳箟杭虞d中，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，壓縮過程中需要克服材料的彈性變形及微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整，這導(dǎo)致了較長的初始加載時(shí)間。而在抗剪加載中，材料的內(nèi)部在剪力的作用下剪切面已經(jīng)開始產(chǎn)生較小的相對滑移，相對于抗壓加載而言，微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整相對較小，因此初始加載時(shí)間相對較短。第二段位移在0.7～1.1 mm內(nèi)，荷載迅速增大，斜率0A90>0A80>0A70，這表明承壓試驗(yàn)中，試件均勻受力后，直徑越大，試件受荷更快。隨后曲線進(jìn)入線性階段，三組試件荷載與位移均線性增大，但此時(shí)0A90、0A80和0A70三條曲線斜率并未出現(xiàn)顯著性差異；伴隨荷載的持續(xù)增加，試件開始產(chǎn)生塑性變形，曲線從C點(diǎn)開始變?yōu)閺?qiáng)化階段，此時(shí)荷載-位移曲線斜率明顯增大，毛竹圓竹的位移增速因剛度的迅速增大開始減慢；當(dāng)荷載逐漸達(dá)到極限荷載的90%，試件開始發(fā)生屈服，毛竹圓竹竹壁沿著順紋方向開始出現(xiàn)裂縫，并且伴隨荷載的增大裂縫不斷增大，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載以后，可以觀察到竹壁外面鼓曲變形達(dá)到弦向變形極限，并且竹身沿順紋方向出現(xiàn)劈裂，并沿著縱向延伸，隨后試件破壞，曲線隨著位移的增大，承載力開始下降。

此外通過圖4可知，不同直徑荷載-位移曲線具有明顯的峰值。圖中三條曲線由高到低分別為本批試驗(yàn)的三種代表值，毛竹圓竹直徑90、80和70 mm，對應(yīng)峰值分別為129.83、98.98和78.55 kN?？梢园l(fā)現(xiàn)，毛竹圓竹的承載力隨著毛竹圓竹直徑的增大明顯增大。本試驗(yàn)毛竹圓竹順紋抗壓力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。從表3可知，本批毛竹圓竹的破壞荷載平均值與順紋抗壓強(qiáng)度平均值分別為110.37和64.60 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度值的變異系數(shù)為7.58%，表明所選竹材整體變異性較低。試驗(yàn)后測定出試驗(yàn)時(shí)的含水率為9.09%，轉(zhuǎn)換為12%后的毛竹圓竹的順紋抗壓強(qiáng)度為56.67 MPa。

毛竹圓竹破壞的主要形態(tài)有兩種，如圖5。第一種為圖5a的劈裂破壞，產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是因?yàn)槊駡A竹的兩端面與加載臺(tái)之間存在水平摩擦力，由于水平摩擦力的存在限制了端面處的膨脹，而離上下端面越遠(yuǎn)的地方，水平摩擦力產(chǎn)生的影響越小，等效模型為試件中部水平拉力大于上下端面水平拉力，隨著軸力的增大，水平拉力達(dá)到極限，毛竹圓竹纖維被撕裂開形成劈裂破壞，裂紋將毛竹圓竹分成若干竹條。第二種為圖5b的毛竹圓竹竹壁出現(xiàn)局部屈曲，這主要是由于各種因素的擾動(dòng)，在橫向產(chǎn)生了較小的撓度，意味著此時(shí)存在一個(gè)橫向的彎矩效果，當(dāng)施加的荷載增大致使自身的抗彎剛度不足以抵抗軸力產(chǎn)生的彎矩，便出現(xiàn)了屈曲。

2.3 毛竹圓竹順紋抗拉強(qiáng)度

由圖6毛竹圓竹受拉試驗(yàn)的荷載-位移曲線可知，在試驗(yàn)初始滑移段中，三組試件存在微小的相對滑移，但曲線斜率0A6>0A4>0A1，這是因?yàn)槊駡A竹本身和試驗(yàn)設(shè)備均存在剛度。但是二者之間的剛度并不相同，毛竹圓竹在受到拉伸荷載之前需克服試驗(yàn)設(shè)備自身的剛度才能開始發(fā)生變形產(chǎn)生位移，不同試件之間剛度也并不完全相同，剛度較大的試件更容易克服這個(gè)剛度差。當(dāng)試件克服初始滑移段后，曲線便進(jìn)入線彈性AB階段，荷載隨著位移的增加線性增加，直至極限荷載附近，曲線才開始變緩。這與毛竹圓竹抗壓試驗(yàn)的荷載-位移曲線存在明顯區(qū)別，試件在受拉時(shí)不呈現(xiàn)明顯的塑性變形，當(dāng)荷載達(dá)到承載力極限各試件均發(fā)生脆性破壞。

毛竹圓竹順紋抗拉試件的主要破壞形態(tài)分為如圖7a—b兩種。當(dāng)毛竹圓竹受到拉力時(shí)，毛竹圓竹內(nèi)部的竹纖維會(huì)產(chǎn)生上下相對位移，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，試件在剪應(yīng)力的作用下出現(xiàn)剪切滑移，當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載，毛竹圓竹便產(chǎn)生纖維剪切破壞，出現(xiàn)圖7a所示鋸齒狀類不規(guī)則破壞。出現(xiàn)圖7b所示平口破壞主要是因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致試件被拉斷，出現(xiàn)應(yīng)力集中情況有兩種：其一是因?yàn)橹窆?jié)的存在導(dǎo)致應(yīng)力集中；其二是由于為毛竹圓竹提供強(qiáng)度和剛度的纖維細(xì)胞的纖維壁薄厚不均勻，荷載最不利位置出現(xiàn)在細(xì)胞壁較薄的地方試件會(huì)被平整拉斷。本試驗(yàn)取材均未帶竹節(jié)，主要因?yàn)榈诙N原因形成平口破壞。同時(shí)所有試件的破壞均發(fā)生在有效部分（即中部60 mm）。

毛竹圓竹順紋抗壓力學(xué)性能結(jié)果如表4所示。通過表4可知，本批試件的破壞荷載平均值與順紋抗拉強(qiáng)度平均值分別為4.14 kN和132.40 MPa，順紋抗拉強(qiáng)度值的變異系數(shù)為2.59%，最大值 152.56 MPa，最小值121.42 MPa，試件整體強(qiáng)度差異值較小。試驗(yàn)后測定出試驗(yàn)時(shí)的平均含水率為8.45%，在12%含水率，試件順紋抗壓強(qiáng)度為141.46 MPa。所取竹材具有良好的順紋抗拉力學(xué)性能。

2.4 環(huán)剛度

通過圖8環(huán)剛度荷載-位移曲線可知，試驗(yàn)初始加載階段曲線0A段荷載與位移近似呈現(xiàn)線性快速增長，且斜率0A90>0A80>0A70，說明直徑越大，剛度越大，試件受荷速度越快。當(dāng)施加的壓力與壓力所產(chǎn)生的水平拉力同時(shí)均勻增加時(shí)，曲線達(dá)到線彈性AB階段。隨著水平拉力的不斷增大，毛竹圓竹在拉力的作用下開始出現(xiàn)塑性形變，曲線進(jìn)入強(qiáng)化階段，BC90、BC80、BC70斜率先后開始出現(xiàn)增大，同時(shí)試件開始在竹青一側(cè)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的逐漸增大，曲線進(jìn)入屈服階段，裂縫不斷向竹黃一側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫貫通整個(gè)竹壁，導(dǎo)致試件破壞，破壞示意圖如圖9。本批試件環(huán)剛度的最大荷載為2.05 kN，最小荷載為1.37 kN，荷載差異較小。

表5為毛竹圓竹環(huán)剛度試驗(yàn)結(jié)果表。通過表5可知，試件的破壞荷載平均值與環(huán)剛度平均值分別為1.53 kN和144.49 N/mm2，環(huán)剛度的變異系數(shù)為13.97%，對比以上試驗(yàn)環(huán)剛度的變異系數(shù)最大，造成這種顯現(xiàn)的主要原因是毛竹圓竹在環(huán)向受力時(shí)，等效受荷面為平行于加壓面的兩側(cè)面，但是由于竹材的壁厚無法人為控制，故出現(xiàn)環(huán)剛度變異系數(shù)最大的情況。試驗(yàn)后測定出試驗(yàn)時(shí)的含水率為9.09%，同樣為了控制含水率對試驗(yàn)的影響，將環(huán)剛度轉(zhuǎn)化為在12%含水率時(shí)的值，此時(shí)毛竹圓竹的環(huán)剛度為104.74 N/mm2，低含水率增大了毛竹圓竹的環(huán)剛度。但是通過對比QB/T 1916—2004標(biāo)準(zhǔn)中給出的最高級(jí)（SN16），本試驗(yàn)毛竹圓竹所測環(huán)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SN16。本批試件具有良好的環(huán)剛度。

環(huán)剛度受力工況實(shí)際為毛竹圓竹的橫紋方向受壓，對比毛竹圓竹順紋方向的最大破壞荷載196.4 kN，毛竹圓竹橫紋方向受壓的最大破壞荷載僅僅2.05 kN，順紋受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫紋。這主要是因?yàn)槊駡A竹的順紋方向纖維致密，具有更好的強(qiáng)度和剛度，橫紋方向纖維之間的連接主要依靠纖維間的膠結(jié)物，承荷能力較弱。因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，毛竹圓竹更適合選在軸向受力的環(huán)境中。

2.5 抗彎強(qiáng)度

從圖10選取的3組毛竹圓竹抗彎試驗(yàn)荷載-位移曲線可知，在試驗(yàn)加載初期，0A階段可分為，0～2.5 mm位移段和2.5～5 mm位移段。0～2.5 mm時(shí)，在支座處竹段受荷同環(huán)剛度類似，因承壓而在橫向產(chǎn)生水平拉力從而開始快速發(fā)生變形；隨后2.5～5 mm時(shí)曲線開始，由于結(jié)構(gòu)上部壓應(yīng)力與下部拉應(yīng)力逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，曲線開始趨向線性。AB階段呈現(xiàn)明顯的線性加載，隨著荷載持續(xù)增大，試件開始產(chǎn)生肉眼可見的撓度（圖11）。當(dāng)荷載加載到屈服點(diǎn)B時(shí)，BC2、BC5、BC10三組試驗(yàn)的荷載位移曲線斜率開始出現(xiàn)差異，剛度大的毛竹圓竹在達(dá)到位移極限時(shí)受荷更大。

毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6。通過表6可知，抗彎試驗(yàn)的破壞荷載平均值與抗彎強(qiáng)度平均值分別為14.85 kN和133.31 MPa，抗彎強(qiáng)度值的變異系數(shù)為14.82%，最大值161.66 MPa，最小值104.38 MPa。與張丹等[9]測定出的毛竹圓竹平均抗彎強(qiáng)度71.94 MPa相比，本試驗(yàn)所測毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度較大。

為了闡述毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度測試時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)一步闡明毛竹圓竹部件垂直其生長方向加載時(shí)變化規(guī)律，對KW-2試件的抗彎強(qiáng)度加載進(jìn)行三維非接觸式-高精度全場應(yīng)變測量儀（以下簡稱DIC）實(shí)時(shí)監(jiān)測。從圖10中選取四個(gè)典型載荷時(shí)刻作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)，分析DIC測量的所有數(shù)字圖像的位移場和應(yīng)變場云圖。選取0A2、AB2、BC2、C2四段做位移場、應(yīng)變場進(jìn)行分析，如圖12、13所示：

1）由圖12a、13a可知，在加載初期，位移場以及應(yīng)變場均為無規(guī)律變化，位移與應(yīng)變均呈現(xiàn)在數(shù)值0附近。2）由圖12b、13b可知，當(dāng)加載到BC階段時(shí)，位移場和應(yīng)變場均未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。水平位移場數(shù)量級(jí)在-0.006～0.012 mm之間，大體上呈現(xiàn)左側(cè)多為負(fù)位移即受壓導(dǎo)致尺寸減小，右側(cè)呈現(xiàn)正位移即受拉導(dǎo)致尺寸變大。應(yīng)變場呈現(xiàn)出毛竹圓竹上表面應(yīng)力強(qiáng)度與毛竹圓竹下表面應(yīng)力強(qiáng)度近似相同，分布在-14.377×10⁴～13.193×10⁴微應(yīng)變之間，但拉應(yīng)力產(chǎn)生的位移略小于壓應(yīng)力產(chǎn)生的位移。3）由圖12c和圖13c可知，加載到CD階段時(shí)，試件的位移場出現(xiàn)明顯的層狀分布，水平位移量由毛竹圓竹下表面向上加載點(diǎn)逐漸減小，從0.180 mm逐漸減少到0.168 mm。應(yīng)變場等值線則出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上部，毛竹圓竹上部結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)量級(jí)大概為2.092×10⁴微應(yīng)變，下部結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)量級(jí)為-2.661×10⁴微應(yīng)變，此時(shí)結(jié)構(gòu)上下表面應(yīng)力強(qiáng)度近似相同，但整體受拉區(qū)明顯多于受壓區(qū)域。4）由圖12d和圖13d可知，在DE加載階段，位移場數(shù)量級(jí)顯著增大，位移峰值達(dá)到2. 564 mm，峰值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)下部。但毛竹圓竹上部結(jié)構(gòu)位移數(shù)量級(jí)同樣達(dá)到2.269 mm，略小于結(jié)構(gòu)下部位移。應(yīng)變場數(shù)量級(jí)峰值下部為-163.904×10⁵微應(yīng)變，上部為152.417×10⁵微應(yīng)變，且應(yīng)變云圖中明顯呈現(xiàn)出拉應(yīng)變。通過上述分析，毛竹圓竹抗彎試驗(yàn)結(jié)構(gòu)變化符合典型抗彎試驗(yàn)，但與常見混凝土等材料略有不同。相同的是通過應(yīng)變場可以看出毛竹圓竹結(jié)構(gòu)上部呈現(xiàn)壓應(yīng)力，下部呈現(xiàn)張應(yīng)力；但不同之處毛竹圓竹在整個(gè)加載階段，結(jié)構(gòu)上下部位應(yīng)力強(qiáng)度近似相同。因此，可以推斷毛竹圓竹具有良好的抗彎性能，天然的圓竹具有和混凝土“適筋”相似的受力形式。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本研究按照國家林草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《LY/T 2564—2015圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行了毛竹圓竹的順紋抗壓試驗(yàn)、順紋抗剪試驗(yàn)、順紋抗拉試驗(yàn)、環(huán)剛度試驗(yàn)和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，再通過三維非接觸式-高精度全場應(yīng)變測量儀實(shí)時(shí)監(jiān)測毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度過程中的位移變化量和應(yīng)變變化量，主要結(jié)果陳述如下：

1）毛竹圓竹具有良好的力學(xué)性能，順紋抗剪強(qiáng)度為27.36 MPa，毛竹圓竹順紋抗壓強(qiáng)度為56.67 MPa，毛竹圓竹順紋抗拉強(qiáng)度為141.46 MPa，毛竹圓竹環(huán)剛度為104.74 N/mm2，毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度為133.31 MPa，且直徑越大破壞荷載越大，試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)90>80>70 mm。

2）毛竹圓竹荷載-位移曲線分析結(jié)果表明：毛竹圓竹順紋抗剪和抗壓強(qiáng)度均與竹筒直徑正相關(guān)，但毛竹圓竹抗壓強(qiáng)度在承壓時(shí)持續(xù)時(shí)間明顯較抗剪強(qiáng)度的長；毛竹圓竹順紋抗拉承載過程中，顯現(xiàn)出明顯的滑移和彈塑性，破壞呈現(xiàn)脆性；毛竹圓竹環(huán)剛度荷載與位移就近似呈現(xiàn)線性增長，表明圓竹直徑越大，圓竹剛度越強(qiáng)；毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度變化趨勢同環(huán)剛度類似，但是在承載后期剛性變化較大；毛竹圓竹各力學(xué)性能的荷載-位移曲線更直觀地反映出毛竹圓竹在不同荷載下的變形情況進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。

3）毛竹圓竹進(jìn)行抗彎破壞試驗(yàn)時(shí)的位移從下部到上部逐漸減少，從2.564 mm減少到2.269 mm；毛竹圓竹抗彎強(qiáng)度的應(yīng)變場數(shù)量級(jí)峰值下部為-163.904×10⁵微應(yīng)變，上部為152.417×10⁵微應(yīng)變，結(jié)構(gòu)破壞呈現(xiàn)上部壓應(yīng)力和下部拉應(yīng)力同時(shí)且近似相同的增長。

3.2 討 論

本試驗(yàn)選擇了材性相對均一的毛竹圓竹來探究其基本力學(xué)性能，但并未考慮竹材立地不同區(qū)域、同一竹竿不同位置等影響毛竹材性變異的主要因素；力學(xué)指標(biāo)中只選擇了抗彎強(qiáng)度實(shí)時(shí)測試其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其他力學(xué)指標(biāo)還沒有進(jìn)行檢測。因此，在推進(jìn)圓竹結(jié)構(gòu)件應(yīng)用過程中還將開展如下工作：

1）繼續(xù)依據(jù)林業(yè)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行毛竹圓竹的立地地域或區(qū)域、竹竿高度、竹竿間基本力學(xué)性能變異性研究。

2）依靠三維非接觸式-高精度全場應(yīng)變測量儀技術(shù)測試手段，開展毛竹圓竹的順紋抗壓、順紋抗剪試驗(yàn)、環(huán)剛度等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測與分析，進(jìn)一步探討破壞性監(jiān)控。

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[本文編校：羅 列]