大跨度竹质方梁的制备与抗弯性能研究

彭 亮， 黄汉霄，孙晓东

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.中南林业科技大学材料科学与工程学院， 湖南 长沙 410004)

竹子是全球重要的森林资源之一，具有产量大，可再生，生长周期短及生长速度快等优点，三到四年即可成材[1-3]。作为结构材料，竹材具有优异的韧性，高比强度以及绿色环保等优良特性[4-5]，但作为一种很有前途的木材替代品，其利用却受到竹竿直径和刚性的限制[6]。如今，工业竹结构材料不断多样化，如：胶合竹、重组竹、竹层积板、竹帘建筑板等[7-9]，这种通过拆散再结合的方式，解除了竹材制备大幅面结构材料的限制，使其作为建筑结构材料具有极大的应用潜力。

魏洋等[10]通过采用一定规格的竹篾组坯层压制备竹质方梁，并研究了其抗弯性能，并指出竹质方梁具有较优的抗震性能，满足结构工程的要求。喻云水等[11]研究以慈竹为原料的竹质工字梁，并进行了抗弯性能试验，研究结果表明：竹质工字梁最大承载力可达120 kN，具有较高的刚度，但工字梁翼缘与腹板处的螺钉在载荷达20 kN时便发生拔出现象，可靠性及连接有效性较差。单波等[12]研究了以竹胶合板为基材的竹结构工字梁，但由于其需要使用钢板加固，在实验过程中钢材和竹材力学性能差异性较大，造成连接处易于发生破坏。

为了充分利用竹材本身的特性，本研究以毛竹为原料，利用层积热压组坯的方法制备竹质方梁。采用两端简支，在梁跨三分点处进行两点加载的方法，研究了6 m和3 m竹质方梁的抗弯力学性能及破坏过程，以期为大跨度的竹质方梁应用于建筑领域提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

毛竹Phyllostachysedulis采自湖南省益阳市桃江县竹林，将毛竹加工成长1 000 mm、宽20 mm、厚4～8 mm的竹条，并通过刨切去除其竹青和竹黄。以涂胶方式施加酚醛树脂胶黏剂，齿接接长(齿接是竹条接长的方式，齿接处是短竹条与短竹条接长的部位)采用相邻层相互平行的方式组坯，分别制备成尺寸为(6 000 mm×154 mm×100 mm)和(3 000 mm×154 mm×100 mm)的竹质方梁，其中热压参数为热压温度130 ℃、热压压力1.2 MPa、热压时间2 h。图1为竹质方梁制备流程图。

1.2 试验方法

1.2.1 实验仪器

(1)反力架-10 T：最大承载能力10 T，立柱宽度975 mm，湘潭昭源机电有限公司。

(2)单作用千斤顶：型号SL-RC-20 T，行程210 mm，上海顶力千斤顶制造厂。

(3)拉压力传感器：型号BLR-1，规格20 T，上海诚知自动化系统有限公司。

1.2.2 加载方式和计算方法 图2为竹质方梁试验加载示意图，试件采用两端简支，通过液压千斤顶加载经分配梁传载的方式，对试件进行两点加载，两点间的距离为跨中距，跨中距内为竹质方梁的纯弯段，试件荷载通过液压油缸下部力学传感器测定，挠度通过百分表测定。试件跨中距的计算按照结构用集成材标准《GB/T 26899-2011》，公式如下：

(1)

式中:S为竹质方梁跨中距(mm)；l为竹质方梁总长(mm)。

实验中，3 m竹质方梁标记为L-3，两支座间跨距为2 600 mm，跨中距为600 mm，预载1 kN，对试件采用分级加载，每级加载5 kN；6 m竹质方梁标记为L-6，两支座间跨距为5 600 mm，跨中距为1 333 mm，预载1 kN，对试件采用分级加载，每级加载1 kN。

竹质方梁弹性模量和抗弯强度的计算方法符合竹材物理力学性质试验方法《GB/T 15780-1995》。弹性模量公式如下：

(2)

式中: Ew为竹质方梁弹性模量(MPa)；P为挠度-载荷曲线中直线段的上、下限载荷之差(N)；L为两支座间的跨距(mm)；b为竹质方梁宽度(mm)；h为竹质方梁高度(mm)；f为上、下限载荷间的竹质方梁变性值(mm)。

静曲强度公式如下：

(3)

式中: σbw为竹质方梁静曲强度(MPa)；Pmax为破坏载荷(N)；L、b、h同上。

1.2.3 测量内容

破坏载荷测量：采用力学传感器测量。

挠度测量：测量试件在两个支座、两个加载点以及一个中点的竖向位移，采用百分表进行读数。

2 分析与讨论

2.1 6 m竹质方梁挠度变化分析

表1为6 m竹质方梁挠度测试结果，图3和图4分别为根据表1绘制的挠度分布与发展图和跨中载荷-挠度曲线图。实验初期，在加入分配梁与预载1 kN再卸载后，试件L-6均产生竖向位移，这是由于竹质方梁跨距较大，在分配梁自重和载荷作用下发生弯曲。当载荷达到7 kN时，竖向位移达86.97 mm。由图4可知，在整个加载过程中，竹质方梁载荷-挠度始终呈线性发展，载荷没有发生波动，表明了L-6竹质方梁在整个测试过程始终处于弹性变形区间，继承了竹材本身良好的韧性[13]，在整个实验过程中没有发生破坏。根据图4所示结果，利用公式(2)计算竹质方梁的弹性模量，结果表明， L-6竹质方梁的弹性模量为10261.24 MPa,但其约6 m长的跨距仍然较大，易受载荷产生形变，实际应用时可考虑加大竹质方梁截面尺寸。

2.2 3 m竹质方梁抗弯强度分析

为了进一步探究竹质方梁的抗弯强度及破坏载荷，采用3 m竹质方梁L-3进行测试。对于L-3，加入分配梁后采用预加载1 kN后卸载的方式以抵消竹质方梁自重的影响，当载荷加载至15 kN时，L-3竹质方梁发出内部胶层撕裂的微弱响声；随着载荷不断增大，竹质方梁发生明显弯曲；当载荷超过30 kN后，竹质方梁不断发生胶层撕裂，但其外表面并未出现破坏现象。

表1 6 m长竹方梁挠度测试结果Tab.1 The deflection of 6 m laminated bamboo block 载荷/kN竖向位移/mm12345000000x-0.064.825.204.85-0.05x-1-0.085.365.805.41-0.051-0.1315.4016.6315.58-0.072-0.1525.2027.3225.50-0.103-0.1736.3140.3236.75-0.144-0.1846.7451.6447.38-0.195-0.1957.8063.6158.64-0.226-0.2168.2774.9669.30-0.247-0.2379.3786.9780.59-0.26 注: x为加入分配梁后竹方梁的竖向位移; x-1为预先加载1 kN后卸载的竖向位移;百分表1,2,3,4,5按照图由左向右安装。

当载荷达到48.8 kN时，竹质方梁受拉面出现裂纹，部分构件齿接处发生开裂；当载荷增加值52 kN时，竹质方梁发生破坏，实验终止。观察可得，L-3竹质方梁主要破坏特征为：受拉面胶层界面发生破坏，裂纹从竹节处发展，并沿竹单元纤维排布方向蔓延，最终导致破坏。实验结果表明，L-3竹质方梁的破坏载荷为52 kN，静曲强度为85.51 MPa，此结果与马尾松和杉木等常用建筑木材相近[14]，符合建筑结构标准 GB50005-2017。

2.3 3 m竹质方梁破坏特征

研究材料的破坏特征对材料制备工艺的进一步优化十分重要。由图5可以看出，竹质方梁在破坏初期，裂纹主要在竹节和胶合界面处开展，且破坏均发生在的载荷最大[15]。破坏初期，裂纹由竹节处产生，并沿纤维之间的结合界面传递，并在竹单元间的胶合界面处扩散，最终使竹质方梁组成单元间相互剥离而破坏，其现象符合各向异性材料的破坏和裂纹扩展特征[16]。从破坏和裂纹扩展特征显示，竹质方梁的破坏均发生在组成结构中的薄弱部位，这主要和竹材本身结构及组成有关。竹材含维管束和薄壁组织两种主要的组成单元[17]，其中维管束起主要支撑作用，力学性能较优，而薄壁组织力学性能相对较低，这种“强弱界面”交替组合的方式有助于竹材破坏时的裂纹引导扩展的作用，以增强竹材的断裂韧性[18]。竹质方梁很好的继承了竹材本身的特性，因此，竹质方梁在破坏时，其破坏程度随着裂纹的扩展循序渐进，没有发生瞬间垮塌。此外，竹质方梁在破坏过程中不断发出的声响，可为人们提供足够的预警时间。

Fig.5 The failure characteristics of laminated bamboo block of lateral surface (left) and lower surface (right)

3 结论

(1)竹质方梁保留了竹材具有优良韧性的特点， 6 m竹质方梁可在弯曲时竖向位移高达86.97 mm而不发生破坏，弹性模量可达10 261.24 MPa。只需施胶热压即可成型，制备工艺简单，可靠性优于竹质工字梁。但是由于竹质方梁在大跨度时容易受载荷而产生形变，实际应用时可考虑加大竹质方梁截面尺寸。

(2)3 m竹质方梁破坏载荷为52 kN，静曲强度为85.51 MPa，与杉木、马尾松等常用建筑木材相近，符合木结构设计标准GB50005-2017。竹质方梁总体破坏主要发生在竹质方梁受拉面的竹节和胶合界面等薄弱处，这是由于竹质方梁继承了竹材原本的特性，“强弱界面”的交替形式有效的延缓裂纹的扩展，使竹质方梁免于瞬间垮塌。

(3)在实际应用时，建议在竹质方梁的组坯工艺上做进一步改善，将齿接与齿接、竹节与竹节、胶合界面与胶合界面间采用交错组坯的形式，进一步延长裂纹扩展的自由路径，以提高竹质方梁抵抗破坏的能力。