现代竹梁结构及力学性能研究概述

朱骏杰，马静文，曹明鑫，王晓欢，费本华，王雪花

（1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京210037；2.中国林业科学研究院北京林业机械研究所，北京100028；3.国际竹藤中心，北京100081）

梁是建筑的重要组成部分，作为建筑物上部最为重要的构件，承托了建筑上部架构以及整个屋面的重量。现有建筑用梁多采用砖混及钢混结构，存在材料耗能高、污染大，废弃后难以降解等问题，中国是竹类资源最丰富的国家，竹材具有强度高、可再生、可降解等特点，以竹材为基础的竹材及竹质复合工程材料符合当前发展绿色建筑的理念。通过复合、重组等技术制作的现代竹梁，解决了原竹壁薄中空、径级小、不适于大规模应用等问题，与混凝土结构梁相比，竹质梁生产过程能源消耗量小，产生的废弃物容易降解，对环境较为友好，是混凝土结构梁的理想替代材料。因此，对竹质建筑构件的研究重新成为科研及产业人员的关注热点。

1 竹梁的主要结构形式

建筑中，竹梁结构形式主要包括梁柱结构、桁架结构、拱形结构。

梁柱结构是竹梁结构形式中较为简单的一种，其主要受到传统建筑中抬梁式木结构和现代钢筋混凝土结构的影响［1－3］。这一结构中，建筑的压力构件需要使用抗压强度较高的构件，梁则需要抗弯强度优良材料构件来建构。梁柱结构适用于跨度较小的结构，特点是可以灵活的分格空间、自由的进行平面布置（图1）。现代建筑中比较有代表性的梁柱结构建筑如Llona等设计的卡车餐厅（图2），该建筑内部空间被分割为不同的小的餐厅隔间，除了使用竹材之外，设计师在屋顶上还添加了一些钢条，竹梁、竹柱、钢条均采用螺栓和捆绑固定的连接方式以保证整个建筑的稳定性。

图2 卡车餐厅Fig.2 Truck restaurant

桁架结构是以短而坚固的直线杆件组合成的三角形承载结构（图3），这一结构能够充分发材料的强度，适用于跨度较大的建筑物，而且可以有效的节省材料、减轻建筑物自身重量，具有良好的抗震性［4－5］。现代建筑中，低碳技术生态建筑的代表人物之一哥伦比亚建筑师西蒙维列，是竹建筑的所设计的“零排放”展馆是桁架结构的代表（图4），西蒙采用了竹桁架作为屋顶的支撑以起到梁的作用，用螺栓连接的方式将各个竹杆组件连接在一起，以形成桁架结构。

图3 桁架结构示意图Fig.3 Truss structure schematic diagram

图4 汉诺威博览会“零排放”展馆（ZERI）Fig.4 The ZERI at the Hannover Expo

拱形结构是较为常见的一种结构，外观上呈曲线状（图5），通过火烤的方式让原竹弯曲，然后通过绑扎、水冷等方式进行冷却定型，形成拱结构，承托起整个屋顶以起到梁的作用。原竹弯曲韧性好，是制作拱形构件的理想材料。越南设计师武重义所设计的纳曼度假村会议厅是拱形结构的代表，会议厅（图6）是纳曼度假村首批开放的建筑，该结构通过捆绑、竹榫和绳索连接等方式将多根弯曲的竹子固定在一起，利用竹子的弹性进行火烧弯曲，让两侧弯曲的竹子呈拱形，创造出高9.5 m，跨度13.5 m的空间。

图5 拱形结构示意图Fig.5 Arched structure schematic diagram

图6 纳曼度假村会议厅Fig.6 Conference hall of Naman Resort

2 竹梁构件力学性能研究

竹梁的力学性能指标主要包括挠度、剪跨比、延性、抗弯承载力、刚度等，一般是通过试验测试和数值模拟等方法进行分析。现代竹梁所使用的材料，除了传统的原竹以外，一些竹质人造材料如：重组竹、胶合竹、竹集成材、竹层积材也成为竹梁常用材料。通过竹材与其他材料优化组合构成竹质复合材料，可使各材料间性能互补以获得更高的综合性能，常见如竹材与木材、竹材与金属、竹材与混凝土复合竹梁。对竹梁局部进行增强复合，亦可有效提高竹梁的力学性能，根据增强材料不同，有碳纤维增强竹梁、芳纶纤维增强竹梁、玄武岩增强竹梁等。

2.1 重组竹梁

重组竹是将竹材疏解成疏松网状纤维束，在通过干燥、施胶、组坯等工艺制成的新型人造竹材复合材料［6］。重组竹具有良好的力学性能，在受弯受压时承载力较大，强重比甚至较钢材大，十分适合作为梁的材料。

弯曲是梁构件的主要受力形式，因单元材料构成、承载形式等不同，重组竹梁承受弯曲载荷时可能出现底部竹纤维拉断和中性轴附近层间剪切破坏（图7）以及竹梁指接处的拉裂［7－8］（图8）。重组竹梁纤维发生破坏的位置都是集中在受拉区，受压侧纤维并未发生破坏。因此，在实际的工程应用中，应尽量避免重组竹梁的指接部位承受拉力，若不可避免，则应采取相应的补强措施。此外，剪跨比对于重组竹梁的破坏部位也有影响，比如剪跨比为5的梁，竹纤维的拉断集中在跨中部位；剪跨比为3的梁，破坏的部位出现在加载点附近［9］。李频［10］对重组竹梁的破坏过程进行研究，发现重组竹梁表现为延性破坏，竹梁破坏首先发生在竹梁下部，随后向长度方向扩展，梁底部外层竹束先拉断，之后底部竹束被横向拉断。该研究与周爱萍［11］得出的重组竹梁所具有渐进性破坏的特点，首先是上部纤维受压，然后受拉区纤维之间发生破坏，最后梁下部纤维束拉断的结论一致。

图7 重组竹梁破坏形态［7］Fig.7 Destruction forms of strand bamboo beams

图8 指接处被拉裂［8］Fig.8 Cracks in finger joint areas

图9 弹性范围内载荷—挠度曲线图［8］Fig.9 Load-deflection curve graph in flexible range

梁的力学性能指标主要通过荷载－挠度曲线获得。张苏俊［8］通过重组竹梁的载荷－挠度曲线发现随着载荷逐渐增大，重组竹梁的跨中挠度成线性增加，且曲线走向与理论曲线一致，表明在弹性范围内，重组竹梁的挠度计算可采用材料力学公式。周爱萍［11］发现荷载－挠度曲线开始呈线性关系，但随着裂纹的出现，荷载－挠度曲线逐渐偏离线性关系，将经历很长一段非线性阶段。剪跨比对于梁的挠度也有影响，随着剪跨比的增加，竹梁的跨中挠度减小［12］。魏洋等［7］分析了弹性模量与抗弯强度的关系，建立了重组竹抗弯强度与弹性模量E的相关关系模型并发现重组竹梁抗弯强度由截面刚度控制。在截面的应变方面，各种试验都证明平截面假定对于重组竹受弯构件是成立的；重组竹梁截面平均应变沿截面高度基本呈线性分布、荷载－应变关系基本可近似为线性变化。

2.2 竹集成材竹梁

竹集成材是将竹材加工成一定规格的矩形竹片，再通过三防处理（防腐、防霉和防蛀）、干燥、涂胶等工艺加工而成的材料［6］，其物理性能良好，强度大、刚度好、尺寸稳定且变形小。

图10 载荷—挠度曲线图［11］Fig.10 Load-deflection curve graph

竹集成材梁的主要破坏形态主要有3种（图11），分别为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种破坏形态是竹梁比较理想的破坏形态，因为在这两种破坏形态下，竹梁承载力下降比较慢，持续时间长，极限条件下可获得比较长的逃生时间［13］。竹集成材梁之所以底部容易出现裂缝，是因为底边缘处竹材纤维的受力状态比较复杂，易产生应力集中［14］。应力也是造成竹集成材梁整体破坏的主要原因，当竹梁长时间承受高水平应力时，梁会产生过大的蠕变变形，而破坏［15］。在抗弯强度方面，竹集成材制作过程中涂胶量会对梁的抗弯强度产生影响，Lee等［16］设置了3种不同的涂胶量（220 g·m－2、320 g·m－2、420 g·m－2），结果表明，涂胶量420g／m2的梁的抗弯强度大于另外2组。挠度和剪跨比也是影响抗弯曲强度的因素，适当放宽挠度限值可以提高材料的强度利用程度；剪跨比增大时，竹梁承载力会下降［17］。

图11 竹集成材梁破坏形态Fig.11 Destruction forms of laminated bamboo beams

2.3 胶合竹梁

胶合竹是将竹子截断剖开，经过高温软化处理后去除竹青、竹黄并成一定厚度的竹片，经过干燥，定型、涂胶、组坯热压胶合而成［6］。其具有强度高，刚性好，变形小等特点。

胶合竹是由竹片胶合而成，不同胶粘剂和胶合方式对胶合竹梁的抗弯曲性能有所影响，Arijit等［18］对比了异氰酸脂树脂和苯酚－间苯二酚甲醛两种胶粘剂，发现用异氰酸脂树脂作为胶粘剂，竹梁的强度和刚度更好。胶合竹梁的胶合方式一般有竖向胶合和水平胶合2种方式，Correa等［19］通过试验对比两种胶合方式对梁抗弯性能的影响，发现竖向胶合梁的弹性模量及断裂模量大于水平胶合。通常来说，胶合梁是用矩形的竹片胶合而成［20－21］，但Mujiman等［22］尝试使用曲边的竹片胶合，对比了矩形竹片和曲边竹片对胶合竹梁力学性能的影响，发现由曲边状竹片胶合而成的梁的承载力、刚度及延性方都优于矩形竹片胶合而成的梁。研究人员在胶合竹工字梁方面也进行了许多研究，发现胶合竹工字梁的破坏特征为脆性破坏、破坏形态为剪跨段腹板的隆起或纤维拉开，剪跨段腹板指接的开裂，跨中下翼缘指接的开裂（图12）。由梁的破坏特征就可以看出，腹板和指接处是梁比较薄弱的部位，因此，若要提高胶合竹工字梁的抗弯强度，可以通过改变腹板所用竹篾的配置方向和数量、加强竹篾胶合强度来提高腹板的抗剪强度和抗拉强度，或者是在设计工字梁时，避免将指接头设置在受拉翼缘处［23－24］。

图12 胶合竹工字梁破坏形式［24］Fig.12 Destruction forms of glue laminated bamboo I-joists

2.4 竹层积材竹梁

竹层积材是用一定规格的竹篾，经干燥、浸胶、组坯、加压固化制作而成。

目前有关竹层积材梁的文献比较少，主要研究文献是如魏洋［25］关于竹层积材梁抗弯性能的研究，以判断其是否适合做灾后安居房的材料。竹层积材梁的破坏性形态主要有4类，分别是梁底部纤维脆性拉断、梁顶部竹篾层间受压屈曲破坏、底部纤维分层逐渐拉断和底部纤维斜向撕裂（图13），其中后2种是较为理想的破坏形态，因为梁破坏过程较长、承载力下降缓慢。前2种破坏形态，破坏过程较快、承载力下降快，在实际工程中，可以通过提高压制压力和密度以提升竹层积材的均匀程度来避免这2种破坏形态。此外，研究得出竹积层材梁设计荷载实际是由截面刚度控制，平截面假定亦适用于竹层积材梁。

图13 竹层积材梁破坏形态［25］Fig.13 Destruction forms of bamboo beams

2.5 复合材料竹梁

复合材料竹梁中，使用最多的是竹材与混凝土复合的竹梁，其中胶合竹与混凝土所复合的梁最为常见，竹材有优秀的抗拉性，而混凝土具有优秀的抗压性，二者结合可以增强梁的抗弯性能。其次为竹材与木材的复合以及竹材与金属的复合，特别是重组竹与型钢和铝板复合梁。

胶合竹－混凝土梁是由上部的混凝土板、下部的竹梁以及连接件构成。王艺萤［26］发现，胶合竹－混凝土梁的破坏模式为胶合竹梁指接处断裂。王震宇［27］则发现胶合竹－混凝土梁的破坏模式除胶合竹梁指接处断裂以外，还包括端部混凝土板的破坏。在不同的破坏模式下，胶合梁的残余抗弯强度是不同的，当处于胶合竹梁指接处断裂的破坏模式时，残余强度较小；当处于端部混凝土板破坏模式时，梁仍然有较高的强度。此外，由于复合竹梁由连接件相连，连接件也会对其抗弯性能造成影响。

螺杆是最常使用的连接件，螺杆自身强度对改善梁的抗弯性能没有实质性作用，但增大螺杆直径对于提高梁的抗剪承载力、整体抗弯承载力和抗弯刚度有明显作用，并可减小梁的变形，当螺杆直径为18 mm时，抗弯性能达到最优［26，28－29］。复合式凹槽连接件也是较为常见的连接件，增加复合槽数目可以提高梁的抗弯承载力［27］。

竹材与木材复合梁是另外一种复合形式，两材料复合后，比单一的竹梁和木梁抗弯性能均有显著提升。以原木为骨架，通过胶粘剂将竹集成材形成的竹木组合梁较于原木梁受弯承载力和刚度分别平均提升38.8%和43.3%，跨中极限挠度平均提高幅度为24.2%［30］。竹木复合梁时，如何配置竹材的数量、位置是研究的重点。苏杰等［31］研究竹板布置、层数、截面高度对梁的抗弯刚度的响，其分析结果发现，在竹板布置和层数相同的情况下，梁的截面高度越大，梁的刚度越好；在竹梁截面高度相同的情况下，改变梁底部的竹板层数，对整体的抗弯性能影响不大。冷予冰等［32］研究了以云杉、胶合竹或重组竹作为底板材料构成的不同形式6层复合梁，发现将云杉胶合木梁的上下表层木板替换为工程竹板，梁的承载力相较纯云杉木梁提高了82.3%，是众多组合中的最优配置。

竹材与金属材料的复合梁，主要是通过黏合剂和自攻螺钉将竹材和金属材料复合在一起。盛叶等［33］研究了铝板形状（齿形、U形和I型截面）和厚度（3 mm、6 mm）对重组竹－铝板组合梁的抗弯性能的影响，发现6 mm的U形铝板加固效果最好，相较于重组竹梁，抗弯承载力提高了13.5%。薄壁型钢－重组竹梁是最常见的竹材与金属复合的梁，翟佳磊等［34］分析薄壁型钢－重组竹梁的破坏形态，发现其破坏形态主要表现为跨中开裂、整体破坏以及接头破坏。唐静［35］则认为薄壁型钢－重组竹梁的破坏形态较为单一，主要是下翼缘重组竹与薄壁型钢发生大面积脱胶破坏。此外，剪跨比是影响薄壁型钢－重组竹梁破坏特征的主要因素，不同的剪跨比，会出现不同的破坏特征，当剪跨比λ≤2时，会出现剪切破坏特征；当λ＝2.5时，将往弯曲破坏发展；当剪跨比λ＝3时，薄壁型钢－重组竹梁破坏特征与混凝土受弯构件相似［36－37］。在强度方面，钢板厚度、翼缘竹板厚度和截面高度是主要影响因素，提高钢板厚度、翼缘竹板厚度和截面高度，可以显著提高梁的抗弯性能［34－35］。

2.6 增强竹梁

纤维增强复合材料（FRP）具有强度高、耐腐蚀、质量轻等优点。十分适合用来增强结构用材。常用于增强竹梁的纤维增强复合材料有碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等。

碳纤维增强重组竹梁是常见的一种增强竹梁，其破坏模式分为2种，分别是重组竹指接处开裂和梁底部指接处开裂［39］。碳纤维增强重组竹梁的增强效果，主要受到碳纤维层数、竹梁的截面高度以及不同加固方式的影响。碳纤维的层数越高，增强效果越好；竹梁截面高度越小，增强效果越好［40］。针对重组竹常见破坏模式，加固方式主要有两种，一种是仅在重组竹梁受拉区的底部粘贴碳纤维布，另一种是在所有指接位置粘贴碳纤布，经试验证明，两种加固方式可以使梁的极限承载力分别提高14%、19%，因此，在所有指接位置粘贴碳纤维布是更有效的加固方式［39，42］。除了碳纤维之外，玄武岩纤维和芳纶纤维也可用来增强竹梁，研究人员对其进行研究并与碳纤维的增强效果进行比较。魏洋等［41］比较了碳纤维和玄武岩纤维对重组竹梁抗弯强度的效果，发现玄武岩纤维增强重组竹梁抗弯刚度提高5%～23%，承载力提高2%～35%；碳纤维增强重组竹梁抗弯刚度提高14%～55%，承载力提高11% ～75%，可见碳纤维对于竹梁的增强远大于玄武岩纤维（图14）。张慧中［43］则探究了芳纶纤维增强重组竹梁的效果，发现，芳纶纤维配置量0.57%时竹梁的极限载荷、刚度、延性最优，较未增强前分别提高34.5%、15%、17%，但依然显著低于碳纤维的增强效果。

图14 FRP增强重组竹梁抗弯性能对比（CFRP-碳纤维，BFRP-玄武岩）Fig.14 Comparison of the effects between CFEP and BFRP

碳纤维除了用于重组竹梁外，亦有用于胶合竹梁，经过试验证明，碳纤维可以延缓胶合竹片之间的胶合强度不足，并独自承担部分抗弯承载力，因此竹梁的承载力和抗弯刚度得到提高，具体的增强效果，与碳纤维增强重组竹梁相似，都是纤维层数越高，增强效果越好［44］。

3 展望

竹材是一种环保且力学性能优良的材料，将其用在建筑领域可以有效缓解我国森林资源不足，环境污染严重的现状，但竹质构件在建筑中应用比例仍然较少，主要用于示范性建筑、展馆、商业建筑或是一些临时住房。如何使竹梁能真正进入到大众视野，融入人们的日常生活中，需要从以下角度思考和实践。（1）开发适用于高层建筑的竹梁产品。竹梁现在所应用的建筑一般都是低层建筑，而随着人口逐渐增加，高层建筑是人们主要居住的场所，研究人员应该研究如何将竹梁应用到一些高层建筑上，让竹梁更加符合现代建筑需求。（2）加大对于竹梁的宣传力度，改变人们对竹材好看不实用的偏见，让人们意识到竹材是可以与传统建筑材料媲美的材料，只有人们有这方面的需求，才能促进竹建筑行业的发展。（3）加强竹建筑行业的人才培养。世界各国大部分高等院校和职业培训机构都不提供竹建筑的专业培训，应当开专门的课程来培养竹建筑行业的人才。（4）加大对竹建筑方面研究的资金投入，在国家政策层面扶持一些竹建筑企业，势必可以加快竹梁发展，在市场上占据一席之地。