重组竹材结构连接性能的研究进展

戴 靓，陈华山，余肖红,2

（1．浙江农林大学，浙江 临安 311300； 2. 浙江省木材科学与技术重点实验室，浙江 临安 311300）

重组竹材结构连接性能的研究进展

戴 靓1，陈华山1，余肖红1,2

（1．浙江农林大学，浙江 临安 311300； 2. 浙江省木材科学与技术重点实验室，浙江 临安 311300）

对重组竹材的基本性能进行综述，其力学性能与木材相近，密度大，碳化后的重组竹纹理与高级木材相近，干缩系数较小，适用于家具制作。重点对榫卯连接、螺栓连接和钉连接三种常用连接方式对用重组竹材的结构连接性能进行了综述分析，榫卯结构连接比一般的木材强度高；螺栓直径、纹理方向和含水率对连接点的影响显著；螺钉的拧入深度和导入直径比螺钉种类对结合强度的影响更为显著。

重组竹材；结构连接；性能；综述

我国是世界上最大的竹资源拥有国，竹子具有生长快、更新能力强的特点，是非木质可再生资源。近年，为缓解木材资源供需矛盾，我国的竹产业发展迅速，先后成功开发了竹编胶合板、竹材胶合板、竹席/帘胶合板、刨切竹单板、重组竹材和竹展平板等新产品，实现了产业化。在建筑、轻工、包装等领域已逐渐被广泛运用[1～2]。

近年来，随着竹材防腐、防霉和热处理等技术的发展，使重组竹在户外大量应用成为可能，其需求也与日俱增。户外重组竹材常用于地板、墙板、围栏和家具等，其优良的形态表现、丰富的色彩和独特的肌理等[3]，深受消费者喜爱。某些企业采用创新技术生产的户外重组竹材具有良好的生物耐久性、耐候性、尺寸稳定性及安全、环保等一系列突出优点，大大提高了竹材利用率且拓宽了竹材使用领域，使竹材的使用从室内扩展到了室外[4]。无锡大剧院在设计中以竹代木，室内的地板、座椅、墙板均采用了竹材，在湖畔一侧大量应用了高耐腐重组竹。

在现代户外重组竹材的结构设计中，由于安装便捷、安全可靠、承载力大、有充分的紧密性和韧性等优点，螺栓类连接被广泛应用于木结构体系、家具部件等。

1 重组竹材基本性能的研究进展

重组竹材是竹材经过截断、剖分、疏解、炭化、干燥、浸胶、沥干、烘干、组坯、冷压热固化或直接热压而成的竹板材。具有良好的纹理、色泽及物理力学性能。90年代初，叶良明等[5]借助重组木的生产工艺，制备出了不去青小径杂竹为原料，PF树脂为胶黏剂的重组竹材新产品，并得到了较佳的热压工艺参数。叶良明等[6]以小径杂竹为原料，水溶性酚醛树脂胶为胶黏剂，试制了去青与不去青的两种重组竹板材并比较其性能，得出去青不去青对材料的吸水性能影响有较大的影响等结论。

2003年，李琴等[7]对重组竹材胶合板制造技术进行研究，获得了较佳的重组竹生产工艺参数。于文吉等[8]以不同竹种的小径竹为原料研究了小径重组竹材制造工艺，结果表明不同竹种对重组竹的胶合性能有很大的影响。程亮等[9]以绿竹为原料，研究了胶粘剂固体含量、浸胶方式、浸胶时间等因素对重组竹材物理力学性能的影响。胡娜娜等[10]对工业化生产工程中重组竹成型材的生产工艺进行了研究。2014年，吴秉玲等[11]对竹束的精密疏解对重组竹力学性能的影响进行了相关研究。2015年杜春贵等[12]对竹束形状与重组竹的生产工艺及性能影响进行了相关研究。

对比重组竹材与原竹、木材在物理力学性能、耐腐性能以及干缩湿胀性能，发现重组竹都具有一定的优势。孙玲玲[13]研究得出重组竹密度为1.2 g/cm3，约为原竹密度的1.7倍；张俊珍等[14]通过抗压与抗拉力性能研究，得出重组竹材顺纹抗拉强度为248.15 MPa，顺纹抗压强度为129.17 MPa，稳定性较好；在相近密度下，重组竹比几种常见木材如麻栎等的干缩系数要小，适于用家具制作[15]；用酚醛胶制备的热处理重组竹的耐腐性能最好，达到I级[16]；随着密度的增大，重组竹的弹性模量和静曲强度都会增加，厚度则不明显；随着厚度越大，重组竹剖面密度曲线形状更陡峭，起伏更明显；密度越大，重组竹剖面密度曲线整体向上提升，但变化幅度较小[17]。通过抗拉和抗压性能实验和理论分析，表明重组竹的力学性能可替代木材或胶合木材，满足建筑结构对材料力学性能的要求[18]。赵鹤等[19]研究提出，重组竹在户外家具的应用上有以下优点：良好的物理性能与木材相似，干缩系数比常见木材小，对户外家具设计制造十分有利；具有良好的加工性能；良好的表面装饰性能。

靳肖贝等[20]以慈竹竹束为原料，选了三种不同的阻燃剂对重组竹燃烧性能和物理性能进行了测试。魏万姝等[21]在研究防霉剂对重组竹的影响时表明，由于竹材含有大量的淀粉糖类等物质，极易引起虫蛀和病腐，在潮湿环境下易受到霉菌和腐朽菌的侵害，通过4种不同的防霉剂的添加对比后，虽然药量越大，防霉效果越好，但同时也影响着板材的胶合强度。吴秉岭等[11]利用纤维原味可控分离技术处理竹片后制备的重组竹，得出高温炭化处理是提高重组竹的耐水性能和尺寸稳定性的有效方法之一，但同时材料的力学性能损失严重；但是采用精细疏解过的竹束制备重组竹材，不但竹束的精细疏解加工工艺简单，而且加工后的力学性能不损失，还能提高耐水性和尺寸稳定性。覃道春等[22]研究得出，重组竹材经水洗后，处理材的防霉性能均有不同程度的降低；在同样的防霉处理工艺和水洗条件下，药剂添加量高的重组竹处理防霉性能优于低添加量，并且筛选出适用于户外的防霉剂。张宏等[23]通过对比分析同等浓度不同药剂及处理方式对重组竹材的霉腐防治能力，结果表明防霉剂对霉菌具有一定的抑制作用。

2 重组竹材结构连接性能的研究

结构连接节点的设计是整个结构设计中最重要的一步，对整个结构的安全性和牢固性具有重要意义。常用的连接方式主要有榫卯连接、螺栓连接和钉连接等。

2.1 榫卯连接

黄圣游等[24]通过设计了相同椭圆榫的尺寸，比较重组竹材与橡胶木后发现，重组竹材试验中只有部分榫头断裂而橡胶木榫头均断裂，说明重组竹材的抗弯距强度更高，不仅其本身的力学强度高于一般的木材，且在榫卯结构连接时也比一般的木材强度高。同时通过实验及数据分析得到了抗弯弯矩与椭圆榫宽度、极限抗拔力与配合参数β之间的变化规律。并指出，抗弯矩强度从高到低依次为椭圆榫接合、圆材榫接合、双圆榫接合、斜角榫接合[25]。

2.2 螺栓连接

1932年，Trayer[26]提出螺栓弯曲和木材的互相作用影响着材料的螺栓连接性能，推导出非线性载荷位移曲线和螺栓连接设计公式。1949年，Johanson[27]提出了欧洲屈服理论模型（European Yield Model，EYM），认为螺栓连接件主要受螺栓抗弯承载力和木材销槽承压的影响，通过假设木材与钢材为理想弹塑性材料，并推导出销连接承载力的计算公式。随后，Mclain和Thangjitham（1983年）[28]在EYM的基础上推导预测螺栓连接屈服载荷的模型，通过试验证明，该模型能较好的进行螺栓连接强度的预测。1991年，美国木结构国家设计规范（NDS）也首次将EYM作为销钉类连接强度设计方法引入规范，并提出了单个螺栓的连接承载强度公式。

国外学者在木材的密度、螺栓直径、纹理方向等方面对木材销槽承载性能有所研究。其中，Whale等、Rammer等、Sawata等经过研究得出，随着螺栓直径的增大，平行纹理方向加载的销槽承压强度呈减小趋势，且当螺栓直径大于一定的值时，销槽承压强度之间无显著差异[29～32]。 周军文等[33]试验结果表明：顺纹销槽承压试件的极限承压强度平均值为91.59 Mpa，呈现出明显的脆性破坏特征，试件刚度较大；而横纹销槽承压试件的极限承压强度平均值为71.81 MPa，表现出较好的延性，试件刚度也明显较小。

李霞镇[34]在《重组竹螺栓连接节点承载性能研究》中总结了以下几点：螺栓抗弯屈服强度随着螺栓直径增大而增大；对于销槽承压强度而言，试样尺寸在满足最小要求的前提下，对其无显著影响；螺栓直径、纹理方向和含水率对其影响显著：随螺栓直径增大而减小，与国外学者的研究结果相符；随纹角度增大，呈先减小后增大的变化趋势；随含水率增大呈递减趋势，并逐渐趋于稳定。

2.3 钉连接等其他接合方式

黄圣游[25]以重组竹为材料，对比不同螺钉种类、导孔直径和拧入深度三个变量对接合强度的影响，分析数据后发现螺钉的拧入深度和螺钉导入直径比螺钉种类对接合强度的影响更为显著。结合实验结果和数据分析，发现拧入深度为19 mm、导孔直径为2.8 mm左右为较合适；由于螺钉种类对强度影响不显著，选用自攻螺钉较为合适。

另外，通过对比重组竹与橡胶木以偏心连接件、四合一连接件接合时，发现重组竹的材料比橡胶木硬度高，导致在重组竹的偏心连接件的接合强度远低于橡胶木偏心连接件接合；适用于实木家具的四合一连接件不适合用于重组竹家具，而且数据显示这两种连接件的接合均比榫接合的强度要低，建议尽量减少使用。

3 结论与展望

（1）重组竹材的力学性能与木材相近，密度大，且碳化后的重组竹纹理与高级木材相近，干缩系数较小，适用于家具制作。但在产品设计中，由于其硬度过大，难以作出完美的曲线造型，重组竹材还是比较缺乏表现力，建议可以考虑结合其他材料。

（2）我国学者正在不断优化重组竹的生产工艺参数，不断改善材料的尺寸稳定性，阻燃性能等性能，对重组竹应用于户外奠定了良好的基础。但户外环境更加复杂，由于竹材的糖类、淀粉类等含量较高，易受到腐朽菌与霉菌的侵害。现今的重组竹防腐技术可以使它的耐腐性达到I级，但防霉性能还有待提高，建议寻找防霉效果、力学强度、成本三者适宜的平衡点，积极扩大重组竹的市场。

（3）木结构的连接节点设计在结构设计中显得尤为重要，假设构件的强度足够承受外力对其的作用，但如果结点的接合强度低也会引起整体结构的破坏，在现实生活中这种情况更普遍。深入了解螺栓连接的性能及其影响因素，不仅可准确得到材料的极限受力状态，提高整体结构的稳定性，还可使构件材料得以优化。这对户外用重组竹的结构开发、螺栓连接性能的改善具有重大意义。若想将重组竹材更好的推广至户外使用，需要对重组竹材的连接方式进行更系统的研究，并与其它常用户外木材进行对比，总结出最合适的接合方式及配合参数。

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Advance on Joint Types of Recombined Bamboo Timber

DAI Liang1，CHEN Hua-shan1，YU Xiao-hong1,2
（1．Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Key Laboratory of Wood Science and Technology of Zhejiang Province,Lin’an 311300, China）

Reviews were made on properties of recombined bamboo timber, such as similar mechanical properties and density as wood. Texture of carbonized recombined bamboo timber was near high quality wood with low coefficient of shrinkage, good material for furniture production. Analysis on connection performances of mortise-tenon, nailed and bolted joint demonstrated that mortise-tenon of recombined bamboo timber was stronger than that of wood. Diameter of bold, texture direction and timber moisture content had great effect on strength of the connection. Deepness and diameter of nail had more influence on strength than types of nail.

recombined bamboo; connection; performance

S781.9；TS652 中文标识码：A

1001-3776（2016）04-0081-04

2016-01-22；

2016-05-27

浙江省林业工程一级重中之重学科开放基金项目(2014lygcz004)；浙江省科技厅公益项目（2015C31047）。

戴靓（1991－），女，浙江桐庐人，硕士研究生，从事家具设计与工程研究。