胶合竹柱偏心受压试验研究

刘常浩 李昂 徐明

（东南大学土木工程学院 南京211189）

引言

作为一种绿色建筑材料，竹材受到越来越多学者的关注[1-8]。我国竹材资源丰富，将其应用于建筑领域，有利于推动建筑工程实现绿色环保及可持续发展。胶合竹材是将形状不规则的原竹截断开条，经修平、抛光等处理得到竹条，再同方向组坯，经胶合、热压等多种工艺所制成的具有一定规格的板材。

何敏娟等[1]和Juan F.Correal等[2]开展了胶合竹材的抗压、抗拉和弯曲强度等力学性能试验，结果表明胶合竹材具有足够的强度和刚度，满足建筑结构对材料主要力学性能的要求；陈伟[3]开展了竹集成材单向偏压构件力学性能的试验研究，推导了构件的侧向位移量和承载力计算公式；肖岩等[4]研究了轴心受压下格鲁斑胶合竹柱的力学性能，提出了胶合竹柱设计的一些建议；魏洋等[5]对重组竹柱的偏心受压力学性能进行了试验研究，提出了重组竹柱偏心受压承载力的计算方法；P.Luna等[6]研究了胶合竹柱轴心受压的力学性能，分析了长细比对试件轴心受压力学性能的影响；李海涛等[7]开展了胶合竹柱弦向偏心受压和径向偏心受压的力学性能试验研究，给出了胶合竹柱偏心受压极限承载力的计算公式。

总体来说，目前对于胶合竹柱偏心受压下力学性能的研究较少，而在实际建筑结构中，柱子通常处于偏心受压状态，即使是理论上的轴心受压柱，也会因为制作、安装误差等原因，具有一定的偏心距。因此，对胶合竹柱偏心受压力学性能的研究很有必要，本文将对具有不同初始偏心距的胶合竹柱展开偏心受压力学性能的试验研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验采用的胶合竹材由福建某公司生产。通过对胶合竹材小尺寸试件开展力学性能试验研究[8]可知：含水率约为5.9%，气干密度约为600kg／m3；顺纹抗压强度为59.63MPa，极限压应变为7.39%，压缩弹性模量为12087MPa；顺纹抗拉强度为104.16MPa，极限拉应变为1.15%，拉伸弹性模量为10820MPa；泊松比为0.28。图1为胶合竹顺纹拉压应力-应变曲线。

图1 胶合竹顺纹拉压应力-应变曲线Fig.1 Stress and strain curves of laminated bamboo under tension and compression parallel to grain

胶合竹为典型的各向异性材料，可分为三个方向：纵向顺纹（L）、径向横纹（R）、切向横纹（T）。本试验胶合竹柱偏心受压方向选择为径向，通过在两端添加牛腿实现，如图2所示。依据《木结构试验方法标准》（GB／T 50329-2012）[9]，考虑偏心距的影响设计胶合竹偏心受压柱试件，具体参数见表1。

图2 胶合竹柱试件Fig.2 LBL column specimens

表1 胶合竹柱试件参数Tab.1 Parameters of LBL column specimens

1.2 试验加载设计与测点布置

试验在东南大学土木工程学院实验中心进行，加载设备为500T长柱试验机与100T螺旋式千斤顶，试件两端均为单向刀铰支座，上端与试验机相连，下端置于千斤顶顶部。试验中，通过摇动千斤顶的手柄带动螺纹对试件进行位移加载，依据《木结构试验方法标准》（GB／T 50329-2012）[9]，加载速率为1mm／min，当加载至接近极限荷载时，适当放慢加载速率。当试件发生断裂或荷载下降至极限荷载的80%左右时，判定为试件破坏，停止加载，终止试验。试验加载装置如图3所示。

柱顶设有100T压力传感器以测量试件试验过程中承受的荷载；在刀铰支座端板四周安装了位移计，以测量试件两端的转动和平动；在柱高四分点安装3个横向位移计，以测量试件的侧向位移；在试件跨中截面处受压面、受拉面和两个侧面粘贴了总共8个竖向电阻应变片，以测量纵向应变。位移计和应变片的布置如图4所示。

图3 试验加载装置Fig.3 Test setup

图4 位移计和应变片布置（单位：mm）Fig.4 Displacement meters and strain gauges layout（unit：mm）

2 结果与讨论

2.1 试验加载过程与破坏形态

对于不同的偏心受压试件，在加载过程中的破坏现象基本相似。在加载的初始阶段，试件处于弹性阶段，随着荷载的增加，各测点应变、挠度也相应地增大，但试件的变形不是很明显；随着荷载继续增加，侧向挠度不断增加，当截面受压区边缘应力达到材料抗压比例极限强度后，截面进入塑性阶段，在这一阶段，柱弯曲较为明显，试件转角显著增大；加载末期，荷载上升较为缓慢，而挠度增加速率明显提高，直至跨中附近受拉侧纤维被拉断，出现裂缝并向中性轴的方向发展，最终试件失去承载力，试验终止。试件的破坏形态如图5所示。

图5 不同偏心距下试件破坏形态Fig.5 Failure models of specimens with different eccentricities

试验数据结果汇总见表2，其中Nul为极限荷载，wul为达到极限荷载时所对应的跨中侧向位移，εt、εc分别为达到极限荷载时受拉、受压边缘应变，Sul为达到极限荷载时产生的轴向变形，Mul为达到极限荷载时的等效弯矩，Mul＝Nul（e0+wul）。

表2 试验结果Tab.2 Test results

2.2 荷载-位移关系曲线

图6给出了具有不同偏心距的试件所受荷载与跨中侧向位移的关系曲线。

从图6不难看出，试件在加载初期处于弹性变形阶段，荷载与跨中侧向位移几乎成线性比例；随着荷载逐渐增大，试件的刚度逐渐衰减，接近达到极限荷载时，荷载增加速率明显降低，最终几乎保持不变，而位移仍有较大的增长，此时材料处于塑性变形阶段；加载末期，跨中位移增加速率明显提高，直至试件变形过大而失去承载力。

对比偏心距不同的试件曲线可见：初始偏心距越大，试件的极限荷载越低，相同荷载作用下变形越大，试件越早进入塑性变形阶段，达到极限荷载时的跨中侧向挠度越大。

2.3 跨中截面应变曲线

典型试件Z-75-2和Z-125-1的跨中应变-截面高度曲线见图7。

从图7不难看出，在加载过程中，截面应变基本上保持线性比例关系，表明胶合竹柱在受力弯曲后，原横截面仍保持为平面，并绕垂直于纵对称面的某一轴旋转，符合平截面假定。

图6 构件荷载-跨中侧向位移曲线Fig.6 Load and lateral deflection of the middle cross-section curves of columns

图7 典型试件跨中截面纵向应变分布Fig.7 Axial strain distribution at middle cross-sections of typical specimens

2.4 侧向挠度曲线

典型试件Z-25-2和Z-125-1的侧向挠度曲线见图8。

也正是冤家路窄，柳红惊恐万状地窜出玉米地，就瞧见那个偷瓜贼抱着一只大西瓜，笃悠悠地朝玉米地走来，他大概也把这片玉米地当作掩护偷盗的天然屏障了。癞阿小走到玉米地边上，刚想松口气的当儿，柳红突然从玉米地里跳将出，冲他大喝一声。与其说他是被柳红吓倒了，倒不如说是被这种突发性的状况所吓倒了；癞阿小见到柳红就跟见到鬼似的。不由自主地扔下那只大西瓜，转身就跑。

图8 典型试件侧向挠度曲线Fig.8 Lateral deflection curves of typical specimens

由图8可知，具有不同偏心距的试件在不同等级荷载下，其变形曲线形状均比较相似。对于两端铰接的柱子，其侧向挠度曲线接近正弦半波曲线，可用式（1）表示：

其中：w为各级荷载下试件的侧向挠度；wm为各级荷载下试件跨中挠度；H为试件各点距离柱底的距离；L为试件长度。

2.5 偏心受压承载力计算

胶合竹偏心受压柱极限承载力的计算公式可表达为：

其中：Nu为胶合竹柱偏心受压的极限承载力；φe为考虑偏心距影响的承载力折减系数；N0为胶合竹柱轴心受压的极限承载力。

图9为偏心受压胶合竹柱承载力折减系数与偏心率的关系曲线。其中，试件Z-100-1的极限荷载甚至比试件Z-125-1和Z-125-2的极限荷载低，不符常理，故舍去。从图9可以看出偏心率对φe的影响：随着偏心率的增大，φe以曲线递减的趋势变化。

李海涛等[7]在对胶合竹柱偏心受压力学性能进行试验研究时，关于考虑偏心距影响的承载力折减系数φe给出了建议使用的计算公式：

图9 各试件偏心距影响系数与偏心率关系曲线Fig.9 Eccentricity influencing coefficient and eccentricity ratio relationship curves of specimens

由于试验试件尺寸的不同，公式中的参数具有一定差异，结合方佳伟[10]关于胶合竹柱轴心受压极限承载力计算公式的研究，对胶合竹柱偏心受压极限承载力简化计算公式进行参数化分析[11]，推荐计算公式如下：

式中：Nul为偏心受压承载力（单位：N）；φ0为同一尺寸构件轴心受压稳定系数；fc为胶合竹顺纹抗压强度（单位：MPa），本试验为59.63MPa[8]；A为截面面积（单位：mm2）；e0为初始偏心距（单位：mm）；h为截面高度（单位：mm）；λ为长细比。

按公式（4）求得各试件的偏心受压承载力理论计算值Nul，并与试验实测值Nu相比较，列于表3。其中，除了偏心距为100mm的试件承载力实测值Nu仅取试件Z-100-2的实测数据，其余各偏心距组别的承载力实测值Nu取该组别两试件实测值的均值。

由表3可知，试件承载力计算值与实测值相对误差最大仅为7.33%，所有试件均不超过10%，可见公式（4）计算结果与本试验实测结果吻合良好。

表3 公式（4）计算结果与试验结果对比Tab.3 Comparison between calculation results by formula（4）and test results

需要指出的是，式（4）适用于截面尺寸较小的径向偏心受压胶合竹柱，对于截面尺寸较大以及偏心受压方向非径向的胶合竹柱，式（4）是否适用有待进一步研究。

3 结论

1.对于不同的偏心受压胶合竹柱试件，达到极限荷载时，试件均因跨中附近侧向位移过大而导致受拉侧竹纤维断裂，试件破坏。

2.试件在弯曲变形过程中，跨中截面平均应变基本呈线性分布，符合平截面假定；胶合竹偏心受压柱试件的侧向挠度曲线基本符合正弦半波曲线。

3.对于偏心受压胶合竹柱，随着初始偏心距的增大，试件的极限荷载降低，相同荷载下的侧向位移增大，弯曲变形更加显著。

4.随着偏心距的增大，偏心受压胶合竹柱的考虑偏心距影响的承载力折减系数呈曲线递减的趋势变化，由此提出了胶合竹柱偏心受压承载力计算方法，相对误差均小于10%，计算结果与本试验结果吻合良好。对进一步研究确定截面尺寸较大以及承受弦向或纵向偏心压力的胶合竹柱承载力计算公式具有一定的参考价值。