竹材力学性能及其在土木工程中应用的研究进展

陈　溪　许清风,*　Kent A.Harries

(1.上海市建筑科学研究院上海市工程结构安全重点实验室, 上海 200032;

2.Civil and Environment Engineering,University of Pittsburgh,Pittsburgh,PA 15261,USA)



竹材力学性能及其在土木工程中应用的研究进展

陈溪1许清风1,*Kent A.Harries2

(1.上海市建筑科学研究院上海市工程结构安全重点实验室, 上海 200032;

2.Civil and Environment Engineering,University of Pittsburgh,Pittsburgh,PA 15261,USA)

摘要近年来,建筑业的可持续发展引起了越来越广泛的关注。竹材具有资源丰富、成材快、材性优良等特点,是一种优质的绿色生态建筑材料。首先对竹材性能的研究进行了调研,分别总结了在测定方法、力学性能变异性和力学模型方面最新的研究成果以及尚待解决的问题;其次,对原竹在土木工程中的研究及应用进行了总结,指出了原竹在工程应用中需要解决的关键技术问题;随后,对工程竹的研究现状进行分析,提出了提高其力学性能和生产工艺的技术途径。本文将为竹材性能和应用研究提供参考,有利于推广竹材这一“绿色生态建筑材料”在土木工程中的广泛应用。

关键词竹材, 绿色建材, 原竹结构, 竹筋混凝土, 胶合竹

Research on Mechanical Properties and Application of Bamboo in Civil Engineering:State-of-the-art

CHEN Xi1XU Qingfeng1,*KENT A.Harries2

(1.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, SRIBS, Shanghai 200032, China;

2.Civil and Environment Engineering University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261, USA)

AbstractIn recent years, the sustainable development of building industry gains more and more attention. Bamboo is a superior green building material since it is a resourceful and fast growing material and has a lot of great properties. In this paper, the survey of studies on material properties is carried out at first, the latest research results of testing methods, variability of properties, and mechanical models are given, and the problems need to be solved in the future are proposed. Then the progress of research and application of original bamboo in civil engineering is summarized, and key technical problems need to be solved are pointed out. Afterwards, current researches on engineered bamboo are analyzed, and technological approaches to improve mechanical properties and production process are proposed. The present paper provides a reference for future research on mechanical properties and application of bamboo, and it is conductive to the development of bamboo in civil engineering as a green ecological building material.

Keywordsbamboo, green building material, bamboo structure, bamboo reinforced concrete, glued laminated bamboo

1引言

随着对建筑业可持续发展和环境保护的重视,大力发展绿色环保的新型建筑材料是土木工程发展的必然方向。竹子是重要的森林资源之一,全世界竹类植物有107属1 300多种。我国虽然森林资源相对贫乏,但竹类资源十分丰富,约有40多属500多种[1]。竹子具有强度高、弹性好、性能稳定、密度小、比强度和比刚度高于木材和普通钢铁等优点,能广泛应用于土木工程中[2]。

作为建筑材料,竹材在生长过程中有很大的碳储存[2],加工过程中能耗小于其他常用建筑材料,相较木材的生长周期短许多[3],并且废弃后可降解,基于全寿命周期评价(LCA)竹材的环境性能最优[4]。此外竹材也具有很好的隔热效果[5]。因此,竹材是一种优质的绿色环保建材。竹材在我国建筑中的应用历史悠久,在浙江河姆渡和四川金沙遗址均出土了我国早期的竹结构房屋;在福建土楼墙体中也普遍采用竹材作为拉结材料增强墙体的整体性能;竹材也是多层建筑施工或维修的主要脚手架材料之一。未经设计计算冒用竹筋替换钢筋是豆腐渣工程,但经过计算分析和设计构造的竹材结构是一种合格的结构形式。本文对竹材在土木工程中应用的国内外研究现状进行调研分析,并对未来的研究和应用前景进行展望。

2竹材的力学性能研究

竹材属于各项异性材料,其三维力学性能十分复杂,且变异性较大。不同部位、竹龄、含水率的竹材力学性能均不相同[6]。竹子主要由纤维厚壁细胞即维管束和纤维薄壁细胞即基体组成,维管束沿轴向整齐排列,对竹材的力学性能贡献最大,使竹材具有较高的强度和刚度[2]。竹材不同部位细胞大小、形状、维管束密度、纤维含量各不相同,研究表明竹杆上部比下部的力学强度大[7];竹壁外侧比内侧的力学强度大[2];竹节较节间材的抗弯强度、顺纹抗压和抗拉强度都有一定程度的降低,但抗劈强度和横纹抗拉强度有明显提高[8]。随着竹龄增加竹材力学性能也会逐步提高;但当竹杆老化变脆时,强度反而下降[9]。

含水率对竹材的轴向(顺纹)抗压、抗拉、抗剪强度及弹性模量等力学性能影响很大。气干后竹材的力学性能要优于新鲜竹材;但当竹材处于绝干条件下时,因质地变脆反而下降[10]。Xu等[11]对不同含水率的毛竹进行了力学性能的试验研究,研究表明,当含水率在30%以内时,随含水率的增高圆竹力学性能下降很快;当含水率大于30%后,圆竹力学性能的劣化并不明显;并提出了圆竹顺纹抗压强度与含水率之间的关系式。

目前竹材力学性能的测定方法以及力学模型的相关研究都主要关注顺纹、径向和弦向的抗拉、抗压和抗剪强度与弹性模量,对三维受力情况的力学性能关注较少,十分缺乏试验与理论研究。此外,许多受力情况如圆竹受压、圆竹受弯等,竹材的破坏通常是由弦向劈裂导致的,但尚未有相关的破坏准则。深入的研究竹材的破坏准则能够更好地解释竹材的各种破坏模式。

2.1　竹材力学性能测定方法研究

竹材顺纹、径向和弦向的力学性能差异很大,因而其测试方法也有较大差别。国际标准《竹子物理和机械性能的测定》(ISO 22157-1—2004)[12]、国家标准《竹材物理力学性质试验方法》(GB/T 15780—1995)[13]和行业标准《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JG/T 199—2007)[14]中给出的试验方法主要用于测定原竹和竹片顺纹力学性能。

Harries等[13]总结了竹材力学性能的主要测试方法,其中顺纹测试方法如图1、横纹测试方法如图2所示。Lee等[15]对原竹内壁施加均匀压力以测量竹子径向抗拉强度和弹性模量;Moreira[16]设计了竹片顺纹抗剪试验模型和方法(图1(e))。Cruiz[17]设计了竹片横向抗剪试验方法(图2(a)),可测量竹片径向或弦向的抗剪强度;Sharma[18]利用开口销设计了测量圆竹顺纹抗剪强度以及轴向和弦向复合受力力学性能的方法(图2(b));Mitch等[19]利用开口销设计了测量圆竹弦向劈裂强度的试验方法(图2(c));Sharma等[20]设计了圆竹对径受压试验方法用以间接测定原竹弦向抗拉强度(图2(d));Garcia等[21]对竹环试件不同部位施加集中荷载,测定竹材弦向和环向的泊松比、弦向弹性模量和顺纹剪切模量。Sharma等[22]指出,现有的大多数试验方法较为复杂,通过进一步研发简易的试验方法可实现竹材强度的快速现场测定。

图1　竹材顺纹力学性能主要试验方法[22]Fig.1　Summary of longitudinal mechanical properties tests available for bamboo[22]

图2　竹材径向与弦向力学性能主要试验方法[22]Fig.2　Summary of transverse mechanical properties tests available for bamboo[22]

2.2　竹材的力学模型

目前针对竹材力学模型的研究很少,其在三维复合受力下的破坏准则也仍未建立。邵卓平[23]研究了毛竹片材在不同温度及约束条件下沿径向、弦向和轴向压缩大变形下的力学行为,并依据试验结果拟合了竹材在单向受压时的应力-应变关系。该研究还显示,不同约束条件下竹片在径向和弦向具有相同的力学行为。

3原竹的应用研究

竹子作为建筑材料已有十分悠久的历史,亚洲的中国、印度,南美洲的哥伦比亚、委内瑞拉,非洲的埃塞俄比亚等国均有各类竹质传统民居[24]。近几十年中,原竹在建筑结构中的应用更为广泛。除了原竹结构外,竹筋混凝土结构在国内外均已有超过半个世纪的研究和应用历史;近些年也进行了竹材加固砌体结构、木结构和土体的研究和工程应用尝试。

3.1　原竹结构

在盛产竹子的偏远地区,仍有不少独具特色且建造方便的原竹民居,这些房屋的设计和建造大多依赖于建造者的经验。近年来,已有学者针对原竹民居结构开展了相关研究,并提出了相应的设计方法和构造措施。Sharma等[25]设计了足尺水平推覆试验研究圆竹门架在水平反复荷载作用下的表现,并对圆竹柱底的连接开展了深入研究。Richard等[26]研究了圆竹组合柱的受压性能,研究表明,竹身天然的微弱曲度会对单根竹柱的承载力有影响;多根圆竹组成组合竹柱受压时,组合柱的屈曲强度与圆竹数量密切相关。Elles等[27]则研究了一种原竹网壳体系,可以快速搭建,在灾害发生时,可作为紧急避难场所。推动原竹结构的发展,研究传统结构中的构件和节点必不可少,开发新型原竹结构形式也是一条重要的途径。

在原竹结构中,原竹两端的连接起到了重要的作用。常见的节点形式有棕绳捆绑、穿斗式节点、螺栓连接、钢板连接和套筒连接等[28]。棕绳捆绑施工方便,但节点易松弛、腐烂,且承载力较低;穿斗式节点处竹材易发生劈裂。螺栓连接是利用螺栓、钢筋挂钩、卡扣等将圆竹连接成整体受力,为保证节点刚度和稳定性常在节点区域的原竹空腔内灌注水泥砂浆,具有节点牢固和防虫防水抗劈裂的优点。当多根圆竹交于一点时,可采用钢板连接或套筒连接。钢板连接是利用螺栓等将各根圆竹与中心钢构件上的钻孔钢板连接。套筒连接将套筒内嵌或外套于原竹端部,套筒可任意角度与中心构件连接。Albermani等[29]研究了新型的树脂套筒和中心构件,避免了连接时在圆竹两端打孔,减少了圆竹端部发生劈裂破坏的机率。以上连接方式各有其优缺点和适用条件,研发具有普遍适用性的新型竹结构连接技术仍是当前的研究热点。

3.2　竹筋混凝土结构

20世纪初,在建筑工程中已开始采用竹筋替代钢筋,但由于竹筋未经防水防腐处理,导致早期竹筋混凝土构件的强度和耐久性均不理想[30]。这是因为,浇筑时未经防水处理的竹筋会吸水,而随着混凝土干燥,竹筋的干缩更严重,从而导致竹筋和混凝土脱离,其粘结很差[31]。从20世纪50年代起,各国学者开始研究竹筋防水防腐的处理方法,研发有效的竹材防水防腐涂层材料,并进行经过防水防腐处理竹筋混凝土构件(竹筋混凝土梁、柱、板、墙)的研究[32-33]。研究表明,采用有效的防水措施后,竹筋能够使混凝土构件的承载力显著提高[31,34]。竹筋混凝土在实际工程也得到了一定的应用,在20世纪50年代,我国建造了大量竹筋混凝土建筑。但到20世纪50年代末发现,由于采用的沥青等防水防腐涂层会明显降低竹筋和混凝土的表面连接、劣化粘结强度,使竹筋混凝土的承载力低于设计预期[35]。

近些年,Ghavami[31]通过大量试验发现,表面处理材料Sikadur 32-Gel不仅能有效地防水防腐,同时能保证竹筋和混凝土的粘结力,从而保证竹筋混凝土构件的承载力。Schneider等[36]对竹筋混凝土梁的构造措施进行了试验研究,试验表明,竹筋锚固长度应至少大于30 cm,并且竹节处保留隔膜有利于增强竹筋和混凝土之间的粘结性能。

现在各地仍留存一定数量的竹筋混凝土建筑,在对这些拆除的竹筋混凝土构件进行研究后发现,部分竹筋混凝土构件的承载力低于预期值[37];而也有部分构件表现很好,竹筋也未腐烂[31]。目前,竹筋混凝土的徐变性能和长期性能仍有待于进一步研究,这是其推广应用的前提。

3.3　原竹的其他应用

竹脚手架仍是我国华东和华南地区的主要脚手架形式之一,目前,竹脚手架的受力机理和设计方法已有系统性研究。我国行业规范《建筑施工竹脚手架安全技术规范》(JGJ 254—2011)[38]中规定了竹脚手架选材和绑扎的构造要求。国际竹藤组织(INBAR)曾邀请香港理工大学学者Chung和Chan撰写过一本竹脚手架设计手册(Design of Bamboo Scaffolds)[39]。该设计手册从竹材的性能入手系统地介绍了竹脚手架的设计方法:通过大量的材性试验得到了竹材受压和受弯的强度与弹性模量设计值[40];通过单根竹子的屈曲试验与理论研究,提出了单根竹子的强度计算方法[41];对选用不同绑扎材料的节点开展试验研究,得到了节点强度的设计值[42];对常见的单层和双层的竹脚手架形式分别开展数值分析,并依据分析结果提出构造建议;最后对整个设计过程进行梳理,提出一套完整的设计方法。在以上知识体系的基础上保证规范的操作,竹脚手架可以广泛应用于工程之中。在香港,因为重视竹脚手架安全管理,严格按照规范操作,竹脚手架的使用比例远远高于我国其他地区。因此,为推广竹脚手架的使用,现阶段应注重相应的安全管理,搭设工人也需进行专门的培训,以确保竹脚手架的安全[42]。

Moroz等[43]尝试了将整根圆竹用于混凝土砌块结构中,并进行了单片墙体平面内往复水平荷载试验,研究表明,带圆竹砌块墙体承载力得到明显提高。Lyer等[44]进行了少量竹筋与砂浆的粘结性能试验,并提出了配筋砌体结构的设计和承载力计算方法。将竹筋用于砌体结构中的相关研究仍处于起步阶段,针对竹筋的锚固,竹筋的粘结能力,墙体平面内或平面外受力的破坏行为,竹筋砌体结构的长期性能,以及承载力的计算方法等都需要更多试验和理论研究。

竹筋在土体加固中的应用历史悠久,比如福建土楼墙体以生土为主要建筑材料,掺上细沙、石灰、竹片、木条等,经过反复揉、舂、压建造而成。近年来,已有学者尝试将竹筋应用于边坡治理[45]、软土地基加固[46]、深基坑稳定[47]等工程实践中,试验、数值分析与工程实践结果均表明竹筋能够有效加固土体。在未来的工作中,针对竹筋的处理方法和竹筋土工程开展试验研究和数值分析工作,可以进一步了解竹筋和土体共同作用的机理和加固后的长期性能,给竹筋在土工系统中的广泛应用建立充分的理论依据。

许清风等[48]进行了粘贴竹片加固木梁的试验研究,研究表明,加固后木梁的受弯承载力得到显著提升。朱雷等[49]进行了粘贴竹片加固混凝土梁的试验尝试,结果显示,加固后混凝土梁的极限承载力和初始弯曲刚度均有不同程度的提高。已有研究表明,粘贴竹片是一种有效的加固方法,但竹片表面处理、锚固方式、合理粘贴量和理论计算方法有待进一步研究,加固后的长期性能也有待于深入研究。

4工程竹的研究与应用

根据工艺的不同,工程竹主要有层合竹材、平行层竹材、竹席胶合板、竹帘胶合板、竹帘竹席复合胶合板等,可用作结构材料、模板、装饰板材和地板等。

4.1　结构用工程竹的应用研究

宁波大学和东北林业大学联合对竹帘胶合板-冷弯薄壁型钢组合结构体系进行了研究。钢-竹组合工字梁受剪性能试验显示梁的整体性能突出[50];钢-竹组合箱形柱的抗震性能试验结果显示其力学性能优良,具有较高的刚度和承载能力[51];钢-竹组合墙体的试验研究结果显示,墙体具有较好的承载力、刚度、延性和耗能能力,选用适宜的夹心层保温材料填充方案可符合节能标准[52];钢-竹组合楼板的抗弯性能试验表明,楼板具有良好的延性性能和承载力[53];在以上研究基础上,单炜等[54]还提出了各构件适用的设计计算方法。

湖南大学基于竹席竹帘复合胶合板研发了新型胶合竹材Glubam,并针对Glubam的材料、构件和结构性能开展了系统研究。Glubam中纵横向纤维量比例有多种形式,目前研究较多的纵横向纤维比为4:1[55]。针对Glubam基本力学性能的研究得到了材料的抗压性能、抗弯性能、抗拉性能、抗剪性能、拉压本构关系和材料的破坏准则,并为Glubam用于实际工程提出了建议设计值[56]。Glubam用于结构的相关研究包括:对于矩形胶合竹梁,基于静力试验研究结果得到了其强度和挠度计算式;疲劳性能试验结果显示胶合竹梁疲劳性能良好;长期性能试验结果显示Glubam的蠕变性能满足规范要求[57-58];足尺胶合竹房屋模型的推覆试验结果显示,房屋延性良好;足尺胶合竹房屋模型的振动台试验结果显示,轻型竹结构房屋可以满足8度抗震要求[59];火灾试验结果显示,1小时受火后胶合竹房屋维持了良好的整体性[60]。Glubam还可与其他材料组成组合构件:Glubam-混凝土组合梁的剪切滑移试验结果显示其荷载-滑移曲线较为理想;木框架与胶合竹覆面板组合的剪力墙水平低周反复试验结果显示,竹材具有与木材相当的承载力和变形能力[61-62]。目前Glubam用于现代竹结构的建造已有实例,如北京紫竹院公园竹结构茶楼[63]、汶川地震后开发的抗震安置房[64]等。

此外,针对层合竹材、平行层竹材、竹席胶合板等在结构中的应用也有少量研究。但由于工程竹的种类很多,各位学者研究的材料也基本不同,绝大多数工程竹还没有得到系统的研究。若要大面积推广工程竹在建筑中的应用,必须对工程竹的生产、力学特性、构件以及连接、结构整体特性、防火性能等开展深入系统的研究。

4.2　工程竹在既有结构加固中的应用研究

李向民[65]进行了粘贴胶合竹板抗弯加固木梁的试验研究,结果显示,胶合竹板加固后木梁的受弯承载力和初始弯曲刚度都得到了显著提升。李向民等[66]进行了粘贴胶合竹板与木材粘结性能的试验研究,在试验和分析基础上给出了不同破坏模式下局部粘结剪应力-滑移曲线。今后还需进行木材树种、竹板厚度、结构胶类型、使用环境等其它参数的试验研究和理论分析。

许清风等[67]进行了粘贴胶合竹板加固预应力混凝土空心板的试验,研究表明,粘贴不同厚度和宽度胶合竹板加固预制空心板的开裂荷载和极限荷载都有不同程度的提高,提高幅度均随胶合竹板厚度和宽度的增加而增大。朱雷等[68]进行了粘贴胶合竹板加固混凝土梁的试验,研究表明,粘贴胶合竹板加固RC梁的极限承载力得到有效提高,极限位移则显著降低。粘贴竹板加固混凝土梁的理论计算和有限元分析结果均与试验值吻合较好,满足工程精度要求。今后还需深入研究加固后混凝土构件的作用机理、耐久性能、防火性能和长期性能等,并提出相应的设计方法和施工工艺。

5竹材的其他研究

近些年,竹纤维在土木建筑行业中的应用逐渐得到了人们的关注,一个主要的研究方向是竹纤维混凝土。陈瑞麟等[69]对不同掺量竹纤维混凝土基本力学性能的研究结果表明,竹纤维的掺入可明显提高混凝土的抗拉强度和延性。Zhang等[70]研究发现竹纤维的掺入对混凝土抗弯强度的影响并不大,但在受荷早期可控制混凝土微裂缝的发展;而Wang等[71]研究发现竹纤维混凝土的抗冲击能力要远远优于素混凝土。陈翔等[72]对竹纤维混凝土墙板的研究结果显示其在抗弯拉和延缓开裂方面都优于普通混凝土墙板。

竹加筋复合锚杆是一种粘结型土体锚定结构,其构造是在处理过的圆竹空腔中放置钢绞线或钢筋,并用内粘结剂将钢绞线或钢筋与圆竹固定。对竹加筋复合锚杆的力学特性、粘结性能、应力和变形传播规律、锚固机理、动力响应等研究表明,用该复合锚杆加固古代夯土建筑能显著提高土体的承载力[73]。楠竹加筋复合锚杆目前仅在新疆吐鲁番交河故城崖体加固工程中得到实际应用。在未来的研究中,可考虑对锚杆和锚固技术进行优化,对该复合锚杆的长期性能也应开展研究,并可考虑扩展竹加筋复合锚杆的应用范围,将其应用于更多形式的土体加固工程之中。

6总结与展望

综上所述,竹材是一种力学性能和环保性能都十分优越的可再生的生态材料。竹材在土木工程中的应用历史悠久,已在建筑、桥梁、装饰材料、土体加固、施工脚手架、模板等领域得到广泛应用。通过多年的研究和工程实践,对竹材的力学性能和结构性能有了一定的了解,也积累了一定的经验,但将竹材在土木工程领域中大范围推广应用,仍有许多关键技术有待研发。

(1) 应开展复合受力情况下竹材力学性能的试验研究,建立竹材三维受力的破坏准则,为理论分析和数值分析提供依据。

(2) 应加大原竹结构性能的研究力度,着力解决原竹结构连接、建造、防腐和防火等关键技术的研发,形成我国原竹结构的设计规范,用于指导我国特别是偏远地区原竹结构的建造,优先实现结构体系的本地化;也可用于指导灾后紧急救灾居所的快速建设,体现建造的轻型化和工业化。

(3) 当采用竹材替代传统结构材料时,需研究替代后可能引起的技术新难点。如用竹筋代替混凝土中钢筋时,需解决竹筋吸水膨胀以及竹筋与混凝土之间变形协调问题;用竹板代替FRP外贴法加固时,需解决竹板与木材或混凝土之间的粘结锚固性能;用竹加筋复合锚杆取代传统锚杆时,需研究竹加筋复合锚杆的长期性能和耐久性能等。

(4) 进一步优化工程竹的力学性能和生产工艺,研发工程竹在土木工程中应用的成套技术体系,方便今后的进一步推广。

总之,竹材在土木工程中的应用研究处于快速成长阶段,通过对竹材应用技术的深入系统研究,将全面提升竹材作为“绿色生态建筑材料”的综合应用水平。

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基金项目：上海市工程结构安全重点实验室开放课题(2013-KF02)

收稿日期：2014-11-17

*联系作者， Email：xuqingfeng73@163.com