不同截面形式重组竹柱轴心受压试验研究

肖忠平，李 晨，苏相宇

国家大力发展装配式建筑，而竹木结构建筑也正属于这一范畴，竹材和木材都是可再生资源，竹材具有生长周期短、伐后恢复快等优点，并且碳储存能力也超过木材。近年来，随着世界木材资源的日渐匮乏，合理有效地利用竹材资源变得越来越重要。重组竹是一种将竹材重新组织并加以强化成型的竹质新材料，具有优良的力学性能，其强度远远超过其他的木材人造板和普通竹材人造板，目前已经应用在房屋、桥梁结构中［1-4］，高校、研究所以及从事竹木结构建筑建设的企业也开展了相关重组竹结构方面的研究，主要集中在重组竹材性、结构构件以及节点几个方面［5-11］。在竹结构的构件中主要针对梁构件，少数针对柱构件。刘学［12］采用慈竹竹帘胶合板制作方形结构柱，通过等边角钢采用螺栓将翼缘板和腹板连接，在翼缘板两侧通过薄型竹胶合板进行固定，然后对其进行轴心受压试验表明，竹质工字型结构柱翼缘板与腹板均出现侧向弯曲，加载后期翼缘板与腹板变形均出现恢复，并且变形最大处为柱翼缘板与腹板中部，变形最小处为两端简支点位置。柱翼缘板由于局部受压发生破坏，柱侧向变形较小，整体稳定性较高，并且轴向压力作用下轴向压缩量较小，抗压性能较优;张苏俊［13］等对4根重组竹方形实心柱的轴心受压研究表明，实心柱轴心受压时的破坏形态为弯曲屈曲型整体失稳，并且在弹性范围内，没有出现强度破坏;魏洋［14］等对6根不同偏心距的重组竹柱进行的偏心受压试验表明，对应峰值载荷时，重组竹柱偏心受压试件的竹材压应变远远大于轴心受压试件，苏靖文［15］等对重组竹实心柱轴心受压的力学性能也进行了研究。可见，在重组竹构件的研究中，主要是针对实心柱，虽然刘学［12］对工字型结构柱进行了研究，但所用材料为竹帘胶合板，非重组竹。

重组竹的密度达到 1.1 g·cm－3，重量大，现场施工不方便，同时，每立方米重组竹成本达到5 000多元。能否采用不同结构形式的重组竹柱，减少重组竹的用量，减少施工难度，降低成本，本研究制作了5组重组竹实心柱、空心箱型柱进行轴心受压试验，研究不同截面形式柱的抗压承载力特性、破坏模式等，为竹结构建筑柱形式的选择与设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试件设计

试验构件采用的重组竹的物理力学性能为:含水率 8.7%，密度 1.11 g·cm－3，弹性模量 6 997.6 MPa，顺纹抗压强度82 MPa。实心柱试件柱身截面为100 mm×100 mm，试件长度1 000 mm。内加隔板增强型箱型柱尺寸以及内加隔板位置见表1，重组竹空心柱采用四板胶合制作。

表1 重竹柱截面尺寸Table 1 Sectional dimension of glued laminated bamboo column

1.2 装置及方法

试验加载及测试根据GB/T 50329-2012进行，试验加载装置采用2 000 kN液压式压力传感器和YAJ-5000微机控制电液伺服压剪试验机进行轴向加载进行静力加载，在试件的上下两端安装刀铰，通过红外水准仪进行对中矫正。试验前，为测试重组竹柱在受力状态下的应变发展情况，研究不同截面形式的重组竹柱的破坏特点及受力过程中应变发展规律，在试件上布置应变片，布置位置为柱的4个侧面中间处沿竖向和横向。图1中沿柱的高度方向两侧均等间距布置5个横向位移计，竖向布置1个位移计，测试加载过程中重组竹柱的变形特征。在试验加载前期荷载按每级5 kN逐级加载，当荷载达到40 kN后，加载等级调整为按每级10 kN加载直至试件失效破坏，加载过程中加载速度保持为2 mm·min－1。

图1 试验加载装置Fig.1 Test setup of column

2 结果与分析

2.1 破坏形式

2.1.1 重组竹实心柱 重组竹实心柱破坏模式见图2，加载初期重组竹实心柱柱中挠度和应变随着荷载的增加而呈线性趋势增大，此时处于弹性阶段，支座处几乎没有位移，可忽略不计。继续加载，当荷载达到极限荷载的80%左右时，重组竹实心柱出现明显的变形，构件向一侧弯曲，柱中轻微开裂;随着荷载继续增大，构件变形愈发明显，最后出现失稳破坏。

图2 实心柱破坏形式Fig.2 Failure models of glulam bamboo solid columns

2.1.2 重组竹空心柱 重组竹空心柱破坏模式见图3，加载初期重组竹实心柱柱中挠度和应变随着荷载的增加而呈线性趋势增大，此时处于弹性阶段，支座处几乎没有位移，可忽略不计。当荷载加载至300 kN左右时，重组竹空心柱表面虽然没有出现明显的破坏，但伴随有轻微的撕裂响声。加载中期，当荷载增大到380 kN左右时，可以听到较大的响声，柱中位置开始出现轻微开裂，随着荷载的增加，柱的挠度越来越大。加载后期，当荷载增大到435 kN左右时，肉眼能观察到空心柱发生极大挠曲。此时，重组竹空心柱上下两端端部出现明显裂缝，构件两端压溃破坏，指接处也发生锯齿状断裂。

图3 重组竹空心柱破坏形式Fig.3 Failure models of glulam bamboo hollow columns

2.2 重组竹柱荷载-挠度曲线

图4 为重组竹实心柱和空心柱试件柱中的荷载-位移曲线。试验加载前期，2种形式柱跨中变形均随荷载增加而增大，并且为线性增长，说明此时2种形式柱均处于弹性阶段;荷载继续增加，实心柱荷载达到420 kN，空心柱荷载达到388 kN时，2种形式柱荷载-变形曲线斜率呈现减小的趋势，进入塑性阶段;荷载继续增大后，实心柱荷载达到470 kN，空心柱荷载达到412 kN，二柱均发生失稳破坏，进入破坏阶段，实心柱极限荷载为空心柱的1.14倍，结合上述2种形式柱的破坏形式可发现破坏形式均为塑性破坏。根据试验所得各柱荷载-挠度数据计算重组竹柱的位移延性系数(最大位移和屈服位移的比值)，重组竹实心柱的延性系数为1.66，空心柱的延性系数为1.53，说明重组竹实心柱的延性较好。

图4 重组竹柱荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves of glulam bamboo columns

2.3 跨中截面应变变化规律分析

图5 为试验所得柱中截面在不同荷载等级下的应变情况。柱中应变在加载初期随着截面高度的增大而上升，呈线性变化，柱四侧截面应变基本相同，此时2种形式柱均处于弹性阶段;随着荷载的增加，截面各部位应变发展迅速，当实心柱荷载增大到422 kN，空心柱荷载增大到388 kN后，试件开始出现明显的弯曲变形，进入塑性阶段。柱四侧截面应变开始出现较大差异，D面由于柱弯曲变形，为受压侧，压力增加速度变快，应变发展速度也最为迅速，最后破坏时实心柱应变超过12 000 με，空心柱应变超过7 500 με;A、C面由于构件变形应变也增大较快，最后破坏时实心柱应变超过8 000 με，空心柱应变超过5 000 με;B面为受拉侧，进入塑性阶段后，应变反而减小，直至破坏。

2.4 理论分析

由于目前重组竹结构还没有具体规范，依据《木结构设计规范》对重组竹柱进行理论值计算(表2)。

表2 重组竹柱承载力Table 2 Bearing capacity of glued laminated bamboo column

由表2可知，重组竹实心柱与空心柱试验值与依据《木结构设计规范》理论计算值吻合较好，说明《木结构设计规范》对重组竹柱的设计具有一定参考作用。

2.5 经济性分析

表3为实心柱与空心柱的用料比值及承载力比值，可以看出空心柱的承载力相比于实心柱相差并不是很大，并且材料用量减少，说明重组竹空心柱可以在实际工程中进行应用，并且重量轻、便于施工。

表3 重组竹实心柱与空心柱对比Table 3 The comparison of hollow column and solid column

图5 重组竹柱荷载－应变曲线Fig.5 Load-strain curves of glulam bamboo columns

3 结论与讨论

重组竹实心柱破坏模式为失稳破坏，并柱中出现轻微开裂;重组竹空心柱破坏模式同样为失稳破坏，并且上下两端端部出现明显裂缝，构件两端压溃破坏，指接处也发生锯齿状断裂。

重组竹实心柱极限荷载为空心柱的1.11倍，实心柱的延性系数为1.66，空心柱的延性系数为1.53，说明重组竹实心柱的承载力和延性更优。

重组竹实心柱与空心柱试验值与依据《木结构设计规范》理论计算值吻合较好，说明《木结构设计规范》对重组竹柱的设计具有一定参考作用。

空心柱的承载力相比于实心柱相差并不是很大，能满足承载力要求，并且材料消耗更少，重量轻，便于施工，能够应用在竹结构建筑中。但是由于空心柱的箱型结构，在梁柱连接节点设计时，是否还能与实心柱一样采用角钢和螺栓的连接方式，这种连接是否对空心柱的抗剪承载力有影响，采用何种连接方式最可靠这些还需要进一步的研究，以便保证重组竹空心柱在实际工程应用中的安全性。