竹材受弯构件增强技术的研究进展

魏洋，王志远，陈思，赵康，丁明珉

(南京林业大学土木工程学院， 南京 210037)

在土木工程领域，竹结构有着悠久的历史，竹材属于生物质材料，符合生态环保、节能减排、可持续发展的基本需求。自20世纪90年代以来，全球森林面积持续减少，而竹林面积不降反增。我国自2000年启动天然林资源保护工程(天保工程)，2016年全面停止非天保工程区天然林商业性采伐。为缓解木材供需紧张的难题，我国一方面加大木材原材料进口，另一方面扩大速生商业林种植面积，但仍然存在进口木材风险大、产业发展受限、发展原料林周期长等突出问题。我国是世界上竹林面积最大的国家，使用竹材实现木材的功能需求是近年来的热点研究方向。已有相关学者在原竹的材料物理性能方面开展了大量的研究工作，如弹性模量分布[1]、横纹受力性能[2]、顺纹受力性能[3]、温度[4]和湿度[5]影响等。然而，天然原竹存在各向异性、尺寸不均、容易开裂、耐久性差等缺陷[6-7]，针对这些缺陷，相继开发了多种竹质工程材料，主要包括竹材胶合板[8]、竹帘层积材[9-10]、竹集成材[11-13]、重组竹[14-16]等，多所科研机构对各种工程竹材的力学性能进行了大量研究[17-19]，研究发现，竹质工程材料具有较好的力学性能[20-22]，以慈竹制作的重组竹为例[23]，其密度为1.1 g/cm3，顺纹抗拉强度可达到248 MPa(超过常用钢材Q235的屈服强度)，顺纹抗压强度可达到129 MPa(可达常用C30混凝土的3～4倍)。同时，工程竹材的加工制造技术也得到了迅速发展[24-25]，竹材工业快速发展与国家政策导向一致，国家已经连续在多个“五年计划”期间，将竹材的高效利用列入国家科技支撑计划，如“高强度竹基纤维复合材料制造技术”被列入“十一五”国家高技术研究发展计划；“竹藤资源培育与高附加值加工利用技术研究”被列入“十二五”国家科技支撑计划；“竹质重组与集成材料连续化高效加工关键技术”被列入“十三五”国家重点研发计划。工程竹材的开发，不仅使竹材得到大规模的工业利用，提高了竹材的使用价值，也在相当程度上缓解了中国木材的供需矛盾。然而，普通竹构件作为受弯构件仍然存在截面刚度低、承载力与跨越能力不足等问题[26-29]，为了提高竹构件的抗弯能力，研究人员提出了多种增强竹构件的方法。笔者主要以配筋竹构件、工字形竹构件、FRP增强竹构件、竹-混凝土组合构件、竹-金属组合构件为例，进行相关构件形式、制作工艺、力学性能方面的介绍分析。

1 配筋竹构件

配筋竹构件(图1)主要用于竹材受弯构件，为提高竹构件抗弯能力，在竹构件底部附近设置纵向筋材，筋材可以为FRP筋或钢筋，类似于混凝土梁中配置纵向受力钢筋[30-34]。制作配筋竹构件工艺包括两种：1)在生产工程竹材时即将筋材预先植入设计位置，如在重组竹的生产过程中，就将筋材与竹丝束组坯，在不改变原有重组竹制造工艺的基础上，增加配置筋材的过程，在重组竹压制成型后，筋材已经被植入形成配筋竹构件整体；2)在竹构件底面纵向开槽，在槽中放入筋材，随后在槽中注入环氧树脂胶，筋材与竹构件通过胶结形成配筋竹构件整体。配筋竹构件的破坏模式及承载特性是配筋竹构件力学性能研究的主要关心内容。

图1 配筋竹构件示意图Fig. 1 Reinforced bamboo members with bars

对于配FRP筋竹构件，魏洋等[30]最早在2009年进行了小尺寸试件的探索性研究，在2014年进行了足尺试件的试验研究[31]。研究结果表明：影响FRP增强竹构件性能的因素主要是FRP筋配筋率和FRP筋材类型等，目前土木工程领域常见的FRP主要为CFRP(碳纤维)、BFRP(玄武岩纤维)和GFRP(玻璃纤维)。图2给出了预植入式的BFRP筋材和CFRP筋材增强竹梁部分四点弯曲试验结果[30-31]：FRP筋材增强竹梁的破坏模式为梁底跨中竹材受拉断裂，配FRP筋竹梁截面刚度提高明显，正常使用极限状态的承载力得到显著提高；相比于配置BFRP筋的梁，配置CFRP筋的梁的力学性能更为优异，配FRP筋竹梁的极限承载力提高约20%左右。

图2 配FRP筋竹梁荷载-位移曲线[30-31]Fig. 2 The load-deflection curves of FRP bars reinforced bamboo beams

在配钢筋竹构件的研究中，影响配筋竹构件性能的因素主要是配筋率、配筋位置等。魏洋等[32]对配钢筋率不同的后嵌入式配钢筋竹梁进行了四点弯曲试验(图3)，对比发现，配钢筋竹梁的破坏模式为竹材受拉断裂，配钢筋竹梁的极限承载力可提高30%以上，欧洲木结构设计规范规定的对应挠度限值L/300(L为跨度)时的荷载值可提高35%以上，增大配筋率可提升抗弯刚度，破坏模式为跨中区域的截面受拉边缘竹材拉断，破坏历程长，具有一定的延性，跨中截面应变沿高度分布符合平截面假定。钟永等[33]进行了类似的研究，成型了一体化的不同参数的配钢筋竹梁，进行了抗弯试验，结果表明，配钢筋竹梁的极限承载力和抗弯刚度都有较大提高，最大增幅分别为58%和82%。

图3 后开槽配钢筋竹构件荷载-挠度曲线[32]Fig. 3 The load-deflection curves of embedded steel bar reinforced bamboo members

除常规FRP筋增强竹构件外，为进一步减小挠度，提高配FRP筋竹构件力学性能，还可对FRP筋施加预应力。图4给出了预应力GFRP筋增强竹梁力学性能试验结果[34]，通过对比不同配筋率、不同预应力大小，发现预应力的施加能够使得构件截面刚度和承载力得到有效提高，刚度增强效果更加明显，预应力FRP筋增强竹梁的破坏模式、截面应变分布规律与普通FRP增强竹构件一致，预应力的施加可有效减小受拉区的竹材实际拉应变，使得构件受压区的竹材受压性能得到更加充分的发挥。

图4 预应力FRP筋增强竹梁荷载-跨中位移曲线[34]Fig. 4 The load-deflection curves of prestressed FRP bars reinforced bamboo beams

除对常见矩形竹梁进行预应力筋增强外，吴文清等[35]使用预应力钢筋增强了4根竹质复合材料工字形梁，进行了四点抗弯试验研究，发现施加预应力可有效减小构件受弯变形，但对刚度和极限承载力的影响不大。

2 工字形、箱形竹木组合构件

工字形竹木组合构件(图5)是以工程竹材为翼缘、木材为腹板，使用先胶结再销钉紧固的方式将两种材料连接形成整体，通过工字梁的形式使用木材实现梁高度增大；利用工字梁上下翼缘应力大、中部腹板应力小的特点，将强度高的竹材设置在翼缘位置实现材料强度的充分利用，将价格低的木材设置在腹板位置增加梁高，实现改善构件力学性能的目的，可在有效提高构件抗弯性能的同时降低工程造价。此外，在加载点及支座附近增设竹质加劲肋可有效提高局部强度，在腹板上开设孔洞可进一步降低自身质量。

图5 竹木组合工字梁示意图Fig. 5 Bamboo-wood composite I-beam

陈国等[36-42]先后对几种不同参数的竹集成材为翼缘、欧松板为腹板的竹木组合工字梁[36-40]和竹木组合箱形梁[41-42]进行了抗弯试验，研究加筋肋、补强板、腹板高度、腹板开孔方式、剪跨比等参数对组合梁力学性能的影响，结果表明：随着孔洞直径增加，构件的承载力下降，刚度变化不大，组合梁的极限承载力随着构件加载的剪跨比的增大呈下降趋势，竹加劲肋能显著提高组合梁的极限承载力和极限位移，对箱形梁承载力提高幅度为14.7%～18.3%，对工字梁承载力提高幅度最大为15.7%，对箱形梁极限位移提高幅度为1.4%～7.5%，对工字梁极限位移提高幅度最大为10.13%，且腹板越高，增幅越大。此外，对于箱形梁，在腹板上开设直径小于梁高30%的孔洞不会影响构件的强度和刚度。对于工字梁，套环型补强板增强效果最好，能有效约束孔角裂缝开展。

3 FRP片材增强竹构件

FRP片材增强竹构件(图6)是利用FRP片材优越的抗拉性能，将FRP材料布置在竹构件的底部受拉区，以提升竹构件的抗拉性能。FRP片材的设置方法为使用环氧树脂胶在竹构件底部粘贴一层或多层FRP片材。

图6 FRP片材增强竹构件示意图Fig. 6 FRP sheet reinforced bamboo members

FRP片材增强竹构件与FRP筋增强竹构件力学变化呈现规律大体相同。黄东升等[43]对CFRP片材加固竹梁进行了四点弯曲试验，结果表明，碳纤维布加固梁的承载能力比未加固梁平均提高27%左右。周爱萍等[44]提出了考虑重组竹材料受压力学非线性性能的CFRP增强重组竹梁的极限变形弹性理论修正计算方法。申士杰等[45]发现对GFRP片材施加30%预应力时增强型竹木集成材的抗弯强度、弹性模量及中性轴偏移变化量最大。魏洋等[46-47]进行的CFRP片材和BFRP片材增强竹梁力学性能试验的主要结果(图7)，与FRP筋增强竹构件规律基本一致。极限承载力和截面刚度随FRP片材层数增多呈增大趋势，FRP片材增强竹梁依旧表现为竹材受拉断裂破坏，FRP片材的设置能够有效提高正常使用阶段的截面刚度以及极限阶段的承载力，配置CFRP片材的梁比配置BFRP片材的梁的力学性能更为优异。此外，肖岩等[48]发现配置CFRP片材还可改善竹梁的蠕变性能；吕清芳等[49]发现配置CFRP网格同样可提高竹受弯构件的承载能力。

图7 FRP片材增强竹梁跨中荷载-位移曲线[46-47]Fig. 7 The load-deflection curves of FRP sheet reinforced bamboo beams

4 竹-混凝土组合构件

竹-混凝土组合构件(图8)是将受拉性能较好的竹材置于构件下部受拉区，将受压性能较好的混凝土置于构件上部受压区，两者通过剪力连接件连接成整体后可充分发挥材料各自的力学特性。剪力连接件有多种形式，常见的有凹槽、销栓、开孔钢板、螺钉、钢网等。首先在竹材上开槽或开孔，随后在孔槽中注入适量结构胶并植入剪力连接件，结构胶硬化后搭设模板浇筑上部混凝土，混凝土固结后形成竹-混凝土组合构件整体。

图8 竹-混凝土组合构件示意图Fig. 8 Bamboo-concrete composite members

魏洋等[50-53]先后对销栓型、开孔钢板型、凹槽型和凹槽+销栓型(图9)等不同连接件形式的竹-混凝土组合梁进行了四点弯曲试验，结果显示，与竹梁相比，各类竹-混凝土组合梁的极限承载力有效提高(最高可提高89%)，各阶段截面刚度提高明显，如销栓型组合梁对应跨中位移为跨度1/250 时的荷载提高了274%，界面应变分布表现出部分组合的特征。吴文清等[54]提出了一种竹材-混凝土组合桥面板，通过推出试验得出了螺钉剪力连接件的抗剪承载能力、抗剪刚度等，结果表明，加大螺钉直径对于提高螺钉剪力连接件的承载力十分有效，螺钉沿剪切方向的布置间距对其单个螺钉剪力连接件的承载能力影响不大。肖岩等[55-57]对用于竹-混凝土组合梁的6种剪力连接件进行了推出试验，试验结果表明，竹-混凝土连接件表现出的力学行为与木-混凝土连接件不同，凹槽连接件、钢网连接件、螺钉连接件和预应力销钉+凹槽连接件更适合用于竹-混凝土组合梁。单波等[58]对9根8 m长的全尺寸竹-混凝土组合梁进行了四点弯曲破坏试验，连接件共计4种形式，研究发现，不同连接形式的竹-混凝土组合梁在短期荷载作用下均表现出良好的性能，凹槽连接的组合梁承载力较高。

图9 凹槽销栓型竹-混凝土组合梁[51]Fig. 9 Bamboo-concrete composite beams with notch-dowel connectors

此外，一种新型FRP-竹-混凝土组合构件最早被魏洋等[59]提出(图10)：综合上述FRP筋增强竹构件与竹-混凝土组合构件两种设计理念，将FRP、竹材及混凝土3种材料进行组合，FRP筋采用GFRP筋，竹材与混凝土之间的剪力连接件采用销栓型连接件。组合构件的抗变试验结果表明，破坏模式为组合梁底部竹材纤维拉断，相对于竹梁，极限荷载提高1.84～2.06倍，对应挠度限值L/250(L为跨度)时的荷载值提高3.33～3.82倍，承载力和刚度得到大幅度的提高。

图10 FRP-竹-混凝土组合构件[59]Fig. 10 FRP-bamboo-concrete composite beams

5 竹-金属组合构件

竹-金属组合构件(图11)是将竹材与金属型材或板材通过胶结或销钉连接形成整体，充分发挥两种材料的力学特性，增强构件的抗弯能力。

图11 竹-金属组合构件示意图Fig. 11 Bamboo-metal composite members

李玉顺等[60-62]提出了一种钢-竹组合构件并对其力学性能进行了大量的试验研究，选取冷弯薄壁型钢与竹材人造板作为主要材料，可充分发挥钢材轻质、高强与竹材低碳、保温等优良性能。构件由竹材人造板与多种截面形式的冷弯薄壁型钢或压型钢板通过结构黏合剂或结构黏合剂加自攻螺钉组合连接而成。在对钢-竹界面黏结性能[63-66]分析的基础上，对箱形截面梁[67]和工字形截面梁[68]进行了一系列的抗弯试验研究。箱形截面组合梁抗弯试验结果表明，箱形截面组合梁具有较强的抗弯、抗剪性能，可充分发挥竹材与钢材的力学特性。竹胶板厚度、腹板高度的增大对抗弯承载力的提高影响较大，型钢厚度的增大对整体稳定性、抗弯性能、延性的提高作用显著。工字形截面组合梁抗弯试验结果表明，工字形组合梁截面构造合理，竹材与薄壁型钢组合效应突出，具有较高的承载力和刚度，并采用遗传算法对工字梁截面参数取值给出了建议。盛叶等[69]提出了一种重组竹-铝板组合梁，重组竹与铝板通过涂抹环氧树脂胶与打入自攻螺钉形成重组竹-铝板组合梁，以铝板的厚度和截面形式为参数对重组竹-铝板组合梁进行了抗弯试验，结果表明：重组竹-铝板组合梁的破坏是由于层间发生剪切滑移，继而受拉区竹纤维被拉断，铝板在螺钉位置由于应力集中产生横向通缝，最终失去承载能力；使用铝板加固重组竹梁能有效提高其受弯承载力，增幅在2.0%～13.5%。在试验基础上，对试件的受弯承载能力进行理论分析，提出了重组竹-铝板组合梁受弯承载力计算公式，理论计算值与试验值吻合较好。

6 不同形式竹构件的力学性能比较

笔者对增强竹构件形式及其力学性能的研究成果进行逐一阐述和总结，具体力学性能对比见表1。可以发现，将竹材与金属材料、FRP及混凝土材料等组合，能够实现增强竹构件的综合力学性能的有效提升，其多种材料协调工作，发挥各自优势，增强竹构件的刚度、承载力等力学性能较普通竹构件有较大提升。其中，抗弯刚度提升较为明显，这对于正常使用极限主要受变形控制的受弯构件意义重大。几种增强竹构件中，竹-混凝土组合构件力学性能提升最大，可适用于荷载和变形较大的主体结构承重构件。增强型竹材受弯构件获得更好的综合力学性能，可更好的适用于土木工程领域各类受弯构件，如梁式构件、板式构件、桁架构件等，可在一些特定民用建筑、公共建筑、梁桥等工程中应用推广。

表1 增强竹构件力学性能对比Table 1 Comparison of mechanical properties of reinforced bamboo members

7 建 议

竹质受弯构件增强技术下一阶段的研究应关注以下几点：

1)创新结构形式。虽然众多研究者已经努力提出了多种创新的结构形式，但有效的创新结构形式仍然应是未来研究关注的重点，研究开发更多性能更优且经济的结构形式，能够更好地提升竹材作为受弯构件对现代工程结构的适应能力。

2)优化连接构造。创新的结构形式常常借助于多种材料的有效组合，以发挥多种材料的各自优势，多种材料连接界面的可靠性无疑是创新增强结构可靠工作的关键。如配筋竹构件中筋材与竹材的界面连接，工字形、箱形竹木组合构件中腹板与翼缘的连接，FRP片材增强竹构件的FRP粘贴界面，竹-混凝土组合构件的混凝土与竹材之间的连接件，竹-金属组合构件的界面连接等，经济、可靠、施工便捷的连接形式是研究开发的重点。

3)长期耐久性。自然环境下温度、湿度等变化会对增强竹构件力学性能产生影响，面向工程设计需考虑在环境影响下其长期变形与承载力退化，如何保障与定量评价增强竹构件在使用环境下的耐久性能，是面向工程设计必须解决的难题，也是值得深入研究的方向。同时，工程竹材自身的材料性能也有待提高，如防霉变等耐久性研究，以及材料自身的轻量化研究等。

4)结构体系。当前，增强竹结构的研究多集中于单个构件，对于整个结构体系的研究较少，此类构件的开发无疑为结构体系的研究奠定了一定的基础，但如何将结构构件组装为结构体系是值得深入思考的问题。针对结构功能需求，探索多种适用的结构体系，是增强竹结构推广应用的前提条件。其中，结构体系的关键节点的连接也应是研发的重点。组合梁的轻量化、模块化也是一个重要研究方向，可考虑使用轻质材料利用装配式生产工艺实现构件性能改进。

5)标准化制造。为了达到规模化推广应用的目标，针对各类增强竹构件，需研究完善其加工制造工艺，制定增强竹构件产品及工业化行业生产标准，确定和出台相应的结构设计方法和标准，实现构件、结构的标准化制造、设计与施工，为其推广应用打通最后的关口。