竹集成材简支梁抗弯性能试验研究

摘要：基于15根竹集成材简支梁的抗弯试验，研究其作为结构构件时的抗弯性能。结果表明：竹集成材简支梁共存在3种主要的破坏形态，即梁底部竹片指接处脆性拉断、梁底部竹束胶合面斜向撕裂及梁底部竹纤维束逐渐拉断；竹梁破坏时的挠度已达梁跨度的1/50，若类同木梁采用梁跨度的1/250作为挠度限值，则可考虑以挠度作为控制指标进行构件设计；竹梁在破坏前，其横截面应变沿梁高度方向基本符合平截面假定；在加载初期，竹梁跨中截面曲率随外荷载基本呈线性变化，当弯矩达到极限弯矩的60%左右时，竹梁的截面曲率开始进入非线性阶段；随着曲率的增大，截面刚度逐渐退化，直至构件破坏。

关键词：竹集成材；简支梁；竹结构；抗弯性能；静力试验

中图分类号：TU366.1文献标志码：A

Experimental Study on Flexural Properties of Glued Laminated Bamboo

Simply Supported BeamsSU Yi， ZONG Shengjing， XU Dan， HUANG Dongsheng， ZHOU Aiping

（School of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， Jiangsu， China）Abstract： Fifteen glued laminated bamboo simply supported beams were tested to investigate flexural properties of glued laminated bamboo as structural components. The results show that glued laminated bamboo simply supported beams exhibit three kinds of typical failure modes， such as the brittle fingerpulloff at the bottom of bamboo beams， the oblique tear of bamboo gluing surface at the bottom of bamboo beams， and the gradually pull off of bamboo fiber bundle at the bottom of bamboo beams. The deflection of destroyed bamboo beams have reached 1/50 of beam span， which can be control indicator in structural design， as wooden beams deflection limit is 1/250 of beam span. Before the failure of bamboo beams， crosssection strain distribution along the height is in accord with the planesection assumption. At the preliminary stage of loading， curvature and loading of glued laminated bamboo beams have a linear relationship. When the moment reaches about 60% of ultimate moment， the curvature of bamboo beams enter the nonlinear stage. With the increase of curvature， the rigidity of the section gradually degenerates to failure.

Key words： glued laminated bamboo； simply supported beam； bamboo structure； flexural property； static test

0引言

木结构因轻质高强、建造周期短、抗震性能好以及生态宜居等诸多优点，成为国外住宅的主要结构形式[1]。然而，因历史上中国曾过度进行森林采伐，目前结构用木材资源匮乏，使木结构的应用受到了严重限制。竹结构具有与木结构类似的性能优势且竹子再生周期短，是一种可再生的生物质复合材料，近年来受到各国学者的广泛关注[214]。

竹子作为一种天然材料，已经有数千年的使用历史[15]。近年来，随着竹材工业的发展，竹材作为结构用材的研究及应用也取得较大的进展。吕雁等[1617]进行了竹胶合梁及竹质墙体研究，结果表明竹制梁和墙体的力学性能良好，竹制墙体还具有良好的保温和隔声性能，基于竹质结构构件的研究成果，在云南省屏边建造了竹结构小学校舍[18]。四川“5·12”汶川地震后，中国研发的现代竹结构抗震安居房已被证明能够抵御高烈度地震[1920]。

竹集成材是以原竹为原料，经过一系列的机械和化学加工，在一定的温度和压力下，借助胶粘剂或竹材自身结合力的作用，胶合而成的板材和型材[21]。竹集成材的多项力学性能均优于天然木材，其轻质高强的特性使其成为替代木材的一种绿色结构用材。

然而到目前为止，竹集成材在生产过程中物理力学性能离散性较大，不能根据工程要求提供力学性能稳定、满足预期目标的竹集成材产品，从而不能对结构在正常使用状态和承载力极限状态下的工作形态做出准确预测与评估，结构分析与设计带有一定的盲目性。因此，本文基于15根竹集成材简支梁的抗弯试验，研究竹集成材梁作为结构构件时的抗弯性能，分析竹集成材梁的破坏过程、破坏机理及变形等，可为此类结构构件的加工设计与工程应用提供参考。

1材料特性与试验方案

1.1材料特性

本文试验用竹集成材选用竹子为5年生毛竹，产自浙江省安吉县。为保证试件材性的稳定性，统一选取原竹上段制作竹集成材试件，采用的胶粘剂为酚醛胶。竹集成材的实测含水率为6.67%，密度为651 kg·m-3，抗压强度为52.76 MPa，抗压弹性模量为9 341 MPa，抗拉强度为128.67 MPa，抗拉弹性模量为12 526 MPa，泊松比为0.268。

1.2试件设计及制作

目前中国尚无竹制复合材料构件制作的相关标准及试验方法，本文试验参照美国规范ASTM D19809[22]的有关规定进行。为了研究竹集成材梁的纯弯曲性能，降低剪切变形的影响，共制作15个竹集成材矩形梁，编号依次为L1～L15，试件截面尺寸为宽80 mm，高160 mm，长2 200 mm，试件尺寸示意见图1。

图1试件尺寸示意（单位：mm）

Fig.1Schematic of Specimen Size （Unit：mm）1.3加载制度与测试内容

本文试验采用电液伺服加载系统加载（图2），作动器最大负载10 t，精度为300 N。试件两端简支，两点加载，加载点间距700 mm（1/3跨度），梁跨度L为2 100 mm。因各竹梁试件的截面高宽比均小于3，故竹梁侧面不需要附加支撑防止其失稳。在试验正式加载前，先对试件进行预加载，即以2 kN·min-1的速率加载到2 kN，然后以同样的加载速率卸载到0.5 kN，共循环2次，主要用于检查试验设备是否正常。此外，预加载还可消除试件与支座和加载设备间的空隙，使结构在正式加载前达到一种相对稳定的状态。

图2试验加载装置及测点布置（单位：mm）

Fig.2Test Loading Apparatus and Measuring

Point Arrangement （Unit：mm）正式加载时，选取先力控制加载后位移控制加载的混合加载模式，具体步骤为：采用力控制加载，加载速率为2 kN·min-1，加载至45 kN时，改由位移控制加载，以便观察试件的具体破坏过程，加载速率为2 mm·min-1，作动器位移控制目标值为50 mm，以试件承受最大荷载为极限荷载。为测量竹梁在加载过程中横截面应变沿高度的变化，在各竹梁试件的跨中截面沿梁高度等间距粘贴5个应变片。试验时每个试件的跨中和加载点处分别布置1个激光位移计以测定竹集成材简支梁在荷载作用下的竖向挠度。2试验结果及分析

2.1试件破坏形态

在试件临近破坏时仔细观察其破坏形态，竹集成材简支梁的主要破坏形态（图3）可以归纳为以下3种。

图3试件破坏形态

Fig.3Failure Modes of Specimens第1种破坏形态为梁底部竹片指接处脆性拉断，发生此类破坏的梁共3根，其破坏都发生在纯弯区梁底部材料指接处，如图3（a）所示。由于竹集成材指接处的抗拉强度低于材料本身的抗拉强度，在纯弯段材料可能有1个或多个指接，在加载过程中先达到极限拉应力的指接处断裂，产生细微裂缝并随之脆性拉断，随着荷载的增加，其余指接处也相继脆性拉断，裂缝向梁宽度和跨度方向不断发展而导致胶层脱落，裂缝贯穿，最终梁底部逐层拉断破坏，承载力达到最大值并且急剧下降。

第2种破坏形态为梁底部竹束胶合面斜向撕裂，发生此类破坏的梁共5根，这种破坏是从梁跨中的纯弯段开始的，从荷载作用点向支座的弯剪段发展，如图3（b）所示。这主要是由于试件内部存在与层界面斜交的复合型裂纹，随荷载的增加，裂纹不仅沿层界面展开，同时向垂直于层界面的方向发展，因此，在梁底部形成比较宽的斜裂纹，最终竹纤维束被撕裂。与第1种破坏相比，其承载力下降比较缓慢。

第3种破坏形态为梁底部竹纤维束逐渐拉断，发生此类破坏的梁共7根，这主要由于底部最外层竹纤维所受拉应力达到其抗拉强度而被拉断，同时裂纹沿层界面发展，竹纤维束所受拉应力达到抗拉强度而逐渐被拉断，直到试件破坏，如图3（c）所示。试件断裂过程较缓和，经历时间较长，其承载力也比较大。

第2种和第3种破坏形态表现出延性破坏特征，后期承载力下降段平缓，持续时间较长，是比较理想的破坏形态，也是大多数试件发生的破坏形态；同时，由于制作工艺的限制，也有比较多的试件发生梁底部竹片指接处脆性拉断，故在竹集成材的制作过程中应进一步改善加工工艺，提高竹片材料的均匀性，增大压制的力度和密度，以避免发生这种破坏形态。

由竹集成材梁试件的试验过程可知，各试件在破坏前均会出现竹梁下部的纤维束断裂的响声或上部受压区产生层间剥离的响声，这些断断续续的响声持续时间较长，是试件破坏明显的征兆，故其破坏不是突然的脆性破坏。竹集成材梁试件的延性破坏特征还体现在破坏时其挠曲变形大，这主要是因为竹材的弹性模量远小于钢材或混凝土的弹性模量。

2.2荷载位移关系曲线

图4给出了试件L6在L/3（左侧）、跨中和2L/3（右侧）处的位移随荷载的变化曲线。由图4可以看出，在同级荷载下L/3和2L/3处的位移基本相图4试件L6荷载位移曲线

Fig.4Loaddisplacement Curves of Specimen L6同，竹梁跨中位移最大。在加载初期，随着荷载的增加，各点位移基本呈线性增加，当加载到极限荷载的60%左右时，逐渐进入非线性阶段，梁的弯曲刚度随荷载增加缓慢降低；当接近最大荷载时，曲线出现一小段平缓段，随即刚度迅速下降，试件破坏。图5为全部试件的荷载位移关系拟合曲线。由图5可见，达到最大荷载后，试件很快发生破坏，后期承载力曲线陡降，破坏时发生了明显的弯曲变形，试验数据表明，跨中的实际挠度均达50 mm以上（超过L/40）。

图5全部试件跨中荷载位移关系拟合曲线

Fig.5Fitting Relation Curves of Loaddisplacement of

All Specimens根据中国《木结构设计规范》（GB 50005—2003）[23]的规定，作为结构的受弯构件，梁的挠度限值为L/250。因此，若考虑正常使用极限状态的要求，类同木梁采用L/250作为挠度限值，竹集成材的强度利用程度还比较低。可见，对于竹集成材受弯构件，可以考虑以挠度或截面刚度作为控制指标进行设计。

2.3截面应变分析

为了验证受弯试件的矩形截面上应变是否符合平截面假设，试验测试了试件跨中截面各测点（沿截面高度由上到下布置测点1～5）的应变随荷载变化的规律，典型试件荷载跨中截面应变曲线见图6。由图6可知，整个试验过程中，测试截面的应变变化大体呈线性特征。在加载后期，各测点的荷载应变图6典型试件荷载跨中截面应变曲线

Fig.6Loadsectional Strain Curves at

Midspan of Typical Specimens关系略呈非线性变化的趋势，结合图5可知，此时荷载开始进入平缓段。试件破坏后，由于受拉区纤维拉裂或受拉区压屈分层，应变因此发生突变，故靠近破坏区的部分测点应变减小。接近破坏时，试件下边缘的纤维最大拉应变约为8×10-3～10×10-3；上边缘纤维最大压应变约为8×10-3～12×10-3。这说明试件的弯曲破坏主要由材料的抗拉强度决定，受压区强度未得到充分发挥。最后，根据梁跨中截面中心的应变变化可知，开始应变几乎为0，随着加载的进行，逐渐出现压应变并不断增大，说明梁的中性层在加载过程中是不断下降的。

为考察在各种荷载工况下平截面假定是否成立，并了解中性层的位置，根据梁侧5个应变片的测量结果绘制出试件跨中截面的应变沿高度变化的关系，典型试件的荷载跨中截面应变沿高度分布如图7所示。由图7可知，竹集成材简支梁横截面应变沿高度方向大体呈线性变化，平截面假定是成立的，可据此进行弯曲性能的力学分析。此外，图7表明图7典型试件跨中截面应变沿高度分布

Fig.7Strain Distribution Along Height of

Section at Midspan of Typical Specimens跨中截面的中性层位置随着施加荷载逐渐增大而下移。在同一荷载工况下，试件受压区竹纤维的压应变总是大于受拉区竹纤维的拉应变。

2.4抗弯性能分析

图8给出了典型试件的跨中截面弯矩曲率关系曲线。由图8可知：加载初期梁的曲率随弯矩的增大呈线性变化，说明梁此时处于弹性阶段；当弯矩达到最大弯矩的60%左右时，梁的曲率开始出现非线性变化，说明图8典型试件跨中截面弯矩曲率关系曲线

Fig.8Relation Curves of Momentcurvature at

Midspan of Typical Specimens梁此时开始进入塑性阶段，这与试件的荷载位移曲线相符；当接近最大荷载时，曲线出现一小段平缓段，随即刚度迅速下降，试件破坏。

图9为弯矩曲率关系拟合曲线。从图9可以看出：梁破坏后大部分试件的曲率保持不变，这主要由于在弹性阶段试件的弹性模量保持不变，该曲线在加载初期呈线性变化；当进入塑性阶段，试件的截面刚度开始退化，所以梁的曲率变化逐渐加速，一旦图9试件弯矩曲率关系拟合曲线

Fig.9Fitting Relation Curves of

Momentcurvature of Specimens出现试件破坏，截面刚度也随着外荷载急剧下降。因此，从试件的弯矩曲率关系曲线可以初步推断：在弹性阶段，截面刚度保持不变时，竹集成材梁曲率与外荷载呈线形关系。

各试件承载力试验结果见表1，竹集成材简支梁抗弯极限荷载平均值为64.093 kN，抗弯强度平均值为65.82 MPa。表1试件试验结果

Tab.1Test Results of Specimens试件编号截面宽度/mm截面高度/mm极限荷载/kN抗弯强度/MPa最大挠度/cm平均值及标准差L180.22159.9369.05370.676.905L280.16159.3254.87156.635.255L380.60159.5065.09466.676.802L480.55159.5459.70361.155.970L580.27159.0068.02570.396.219L680.43159.1468.02170.136.802L780.54159.7763.64365.016.365L880.15159.6366.55268.436.656L980.04159.2167.06569.426.706L1080.38159.8664.59866.046.508L1180.55159.9470.44471.797.044L1280.45159.4763.63865.326.853L1380.49159.6968.52170.106.535L1479.85159.2253.44555.445.874L1580.62159.6158.72760.056.364=65.82 MPa，

δσ=5.03 MPa，

=6.457 cm，

δf=0.474 cm注：，δσ分别为抗弯强度平均值和标准差；，δf分别为跨中最大挠度平均值和标准差。3结语

（1）竹集成材简支梁主要有3种弯曲破坏形态，即梁底部竹片指接处脆性拉断、梁底部竹束胶合面斜向撕裂和梁底部竹纤维束逐渐拉断，其中第2种和第3种是比较理想的破坏形态，也是多数试件发生的破坏形态。

（2）竹集成材简支梁抗弯极限荷载、抗弯强度平均值分别为64.093 kN，65.82 MPa。荷载施加的初期，荷载位移曲线呈直线型，说明梁此时处于弹性阶段；当加载到极限荷载的60%左右时，试件进入非线性阶段，梁的弯曲刚度随荷载增加缓慢降低；当接近最大荷载时，曲线出现一小段平缓段，随即刚度迅速下降，试件破坏。

（3）竹集成材简支梁破坏时挠曲变形大，试验结果表明其延性较大，故其设计荷载是由截面刚度控制的，按照规范的挠度限值设计时，强度将富裕较多，建议适当放宽挠度限值以提高材料的强度利用程度。

（4）竹集成材简支梁横截面应变沿高度方向的变化基本呈线性，即竹集成材简支梁受弯试件满足平截面假定。

（5）弹性阶段截面刚度保持不变，竹梁曲率与外荷载呈线性关系；塑性阶段外荷载基本保持不变，竹梁曲率与截面刚度成一定的反比关系。参考文献：

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