工程竹材力学性能和节点连接性能研究进展

冯涯钦，王 雪,2，余肖红,2*

(1.浙江农林大学 化学与材料工程学院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省木材科学与技术重点实验室，浙江 杭州 311300)

20世纪80年代，经过不断自主创新和技术引进我国出现了胶合竹技术，这种工艺是将原竹制成基本单元后压制胶合成竹板。之后在21世纪初，我国竹产业高速发展，汶川地震后为解决建筑抗震性能差、资源浪费严重等问题，首次提出使用竹材进行标准化、装配式设计建造以完成住宅灾后重建和改造工作[1]。2021年我国发布工程竹材相关标准，对工程竹材进行明确的定义，即工程竹是以竹片或竹束为单元胶合而成，具有明确工程力学参数，满足工程设计的强度、刚度和耐久性要求的竹基复合材料[2-3]，其分类主要为竹集成材和重组竹。工程竹材具有高强度、高耐候性、高尺寸稳定性、强耐腐性等特点，应用于建筑、家具、运输等领域，是木材的有效补充和替代。在“以竹胜木”“以竹代钢”理念带动下，我国大批研究者对这种新型竹材进行研究，开发出各种附加值高于木材的新产品[4]，这在一定程度上可以解决我国木材资源短缺的问题[5]，有利于全面实现绿色低碳可持续发展，双碳目标的提出也将进一步加快工程竹材的发展进程与应用[6]。

节点连接性能是现代竹木结构质量与安全的重要保障，工程竹材常用的节点连接方式有齿板连接、螺栓连接、金属套筒连接等。目前对工程竹材的节点连接设计还没有形成统一的理论体系和设计标准，国内外研究者对其进行设计计算主要参考现有的木结构设计规范，并根据工程竹材的材料系数进行相应的修正[7]。虽然工程竹材和木材有一定的相似性，但是其在结构、性能上仍具有很大的差别，这在一定程度上限制了工程竹材的推广应用。

该文针对国内外工程竹材基本力学性能和节点连接性能研究现状，阐述工程竹材作为结构构件时在受拉、受弯和受剪3种基本受力形式下的力学行为和增强极限承载力的方法措施，综述工程竹材节点连接的几种典型形式及其不同因素对承载力和破坏模式的影响规律，以期为工程竹材的进一步应用提供理论和方法依据。

1 工程竹材力学性能研究

1.1 抗压性能

工程竹材作为结构构件时，基本的受力形式有柱的受压和梁的弯曲、受剪。柱构件作为建筑中基本的受压构件，其力学性能主要受材料本身的性能、柱的截面形式以及长细比等因素影响，破坏模式主要分为强度破坏和失稳破坏。

吕清芬等人[8]研究发现重组竹柱具有强大的弹性恢复能力，可以在地震中维持良好的延性，且存在较小的震后残余变形，是一种优质的工程材料。一些学者对工程竹材柱构件就不同截面形式[9-11]、碳化与非碳化以及短期与长期受压[12-13]因素展开了试验研究，结果发现实心柱极限承载力略高于空心柱与工字柱(如图1)，约1.09～1.52倍，相差并不大，空心与工字结构既能满足承载力要求，又能减少材料使用，减轻重量，但是由于受压时容易在连接处发生胶层破坏，因此需要对其节点连接方式进行进一步研究[9-11]，如钢—竹组合型空心柱；重组竹经碳化后其受压破坏形态呈现为明显的脆性破坏，因此并不适合作为结构构件使用[12]；柱构件在长期受压情况下发生蠕变，经历瞬态和稳态蠕变阶段，当柱压比不大于0.5时柱变形随时间增长基本保持稳定[12-13]。肖岩等[14]、李海涛等[15]、方佳伟[16]、谢亚孜等[17]发现随着长细比的增大，胶合竹柱受压时的破坏形式从端部压溃或胶合面开裂的强度破坏转变为中部受拉侧位移过大而导致的失稳破坏(如图2)，承载力逐渐下降，同时证明现有的国内外木结构设计规范对胶合竹柱承载力计算的不适用性。而在实际应用中柱子作为结构构件往往处于偏心受压状态，李海涛等[18]、魏洋等[19]对不同偏心距的工程竹材柱进行压弯试验，结果表明柱身跨中受拉侧纤维断裂，随着偏心距的增大，承载力减小，竖向位移和跨中侧向挠度均有所增大，并提出以偏心距为影响因素的极限承载力计算公式。在此基础上，茅鸣等[20]对可增强整体承载性能的钢竹组合柱展开偏心受压试验，发现偏心距对力学性能影响较大，长细比有一定影响但无明显规律。

图1 不同截面形式工程竹柱构件[10](单位：mm)Fig.1 Engineered bamboo column components with different cross sections

总的来说，由于目前工程竹结构的相关规范标准较少，工程竹材与木材虽有一定的相似性，但在宏观和微观构造上均存在本质的差异。因此，需要对工程竹材进行进一步研究，尽快制定符合工程竹结构的相关规范标准，从而指导其工程设计和应用。

1.2 抗弯性能

Sinha等[21]对竹集成材梁和胶合竹梁进行了基本力学性能试验，并与常用木材进行对比，试验结果表明其静曲强度为花旗松的4.7～6.6倍，而弹性模量接近，证明其完全适用于轻型框架结构，作为结构材料具有良好的应用前景；周军文等[22-23]发现剪跨比对受弯承载力影响不大，并证明有限元模拟的可行性；李海涛等[24-25]基于尺寸效应，对不同宽度竹集成材梁进行了抗弯性能试验研究，依据线性关系对3种失效模式提出极限弯矩和极限弯曲挠度的计算方法，结果与试验值吻合。而在实际工程中，建筑构件经受的都是长期荷载，在此基础上，一些学者对工程竹材长期抗弯性能进行研究。陈伯望等[26]对碳化和非碳化重组竹梁在长期荷载作用下的抗弯性能及蠕变规律进行对比研究，结果表明碳化使其在长期荷载下挠度减小，在30%极限承载力作用下更为稳定；袁平等[27]研究发现竹集成材梁在实际长期荷载应用中可能由于高应力水平而导致蠕变破坏，建议在正常使用情况下的荷载取极限承载力的45%。

针对受弯构件易发生纤维拉断，难以满足大跨度要求的问题，一些学者提出增强极限承载力、刚度的措施。魏洋等[28]提出钢筋重组竹复合梁的概念；周爱萍等[29]、周军文等[30]提出了一种新型碳纤维加固重组竹梁的方法；柳红等[31]认为可以使用竹集成材加固单板层积材梁以此提高整体承载力；冷予冰等[32]对花旗松胶合木梁、胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁4种足尺梁的抗弯性能进行对比试验，提出可以通过工程竹材与速生木材的复合来增强梁的抗弯性能、强度和变形能力；2021年上海花博会竹藤馆采用新型竹钢材料，在重组竹的基础上，该材料经技术处理在制造时不去芯去黄，具有更高的强度。

图3 工程竹与其他材料复合Fig.3 Composite of engineered bamboo and other materials

1.3 抗剪性能

国内外学者对工程竹材的抗弯及抗压等力学性能研究较多，但对工程竹材梁抗剪性能研究相对较少。受剪承载力主要与剪跨比、材料的剪切强度、截面尺寸、梁的跨高比、荷载模式等有关。Mujiman等[33]将矩形竹片和曲边竹片胶合竹梁进行抗剪对比试验，结果发现曲边状梁的承载力、刚度及延性更优。李冉等[34]证明增加翼缘和腹板处竹胶板厚度、减小剪跨比可提高组合梁的受剪承载力。邓谋韬等[35]进行不同剪跨比竹集成材梁弯曲试验，发现剪跨比超过1.5时，从层间剪切破坏转变为弯曲破坏，弯剪破坏的界限剪跨比与梁的跨高比有关。

总的来说，目前工程竹材力学性能研究中关于如何提高承载能力，主要基于2个方面，一是通过对承载力影响因素的研究；二是通过对材料的重组，主要为与木材的复合、与金属材料的复合以及纤维增强等措施。从已查阅的文献来看，关于工程竹材在短期受压、受剪和受弯性能研究成果较多，但是关于长期荷载的研究相对较少，工程竹材在实际应用中，经长期受力后往往容易出现裂缝、整体破坏失效等问题，对于如何模拟长期受力的实际情况，选取合适的荷载设计值，探究工程竹材材料本身的蠕变、构件的蠕变、工程竹材与其他材料复合的蠕变对工程竹材的进一步推广应用具有不可忽视的意义。

2 工程竹材节点连接性能

2.1 齿板连接

目前，齿板主要应用于桁架结构的节点连接和杆件的接长[36]。在实际工程中，齿板连接的木桁架已广泛地用于各类建筑，而工程竹桁架中则更多使用钢板和螺栓连接结合的形式，对于齿板连接的研究较少报道。肖岩教授团队一直致力于工程竹材的研究，特别是对连接节点破坏形式机理(图4)、承载力影响因素、强度试验等研究。其中，伍金梅等[37]通过拉伸试验得到金属齿板应用于胶合竹时的板齿极限强度，该数值与木材接近，证明了齿板连接在现代竹结构设计中的适用性。在此基础上，彭琦等[38]通过改变荷载与主纤维方向、齿板与主轴方向夹角进一步研究其对齿板连接节点的板齿强度影响。有学者对齿板增加与螺栓连接相结合的形式进行研究，宋蕾蕾等[39]研究发现齿板增强螺栓连接试件可以明显减少横纹劈裂破坏、降低群栓效应，提高极限荷载和延性系数，使得木材和螺栓的材料受力性能得到充分地发挥。

图4 齿板连接破坏形式[38]Fig.4 Failure mode of tooth plate connection

2.2 螺栓连接

螺栓连接作为现代竹木结构中十分重要的节点连接方式，具有易于加工运输、安装简便且连接性能良好等优势[40]，主要有普通螺栓连接(无钢板)、钢填板螺栓连接以及钢夹板螺栓连接3种形式。

冯立等[41]对4群和6群螺栓进行胶合竹梁柱式螺栓节点性能研究，经单调和循环往复加载，结果表明节点的破坏是由主材撕裂引起，螺杆受力不均，中部螺杆受力较小也具有抗震耗能的作用。浙江农林大学[42-43]余肖红教授团队对无约束重组竹单螺栓连接单侧抗剪屈服和断裂模型进行深入探讨，并推导出包括应力集中系数在内的承载力估算公式。

工程竹材力学性能强、具有高尺寸稳定性，但硬度大、加工性能差，榫卯结构等传统木结构节点构造方式难以应用，因此钢夹板和钢填板螺栓连接成为工程竹结构的有效连接方式[44]。国内外学者对工程竹材钢填板、钢夹板螺栓连接节点的承载力影响因素和承载力计算进行了深入研究。不同于美国规范，欧洲规范将双剪连接分为钢填板连接和薄、厚2种钢板钢夹板连接，其破坏模式一般有I型、III型和IV型(图5)。周爱萍等[44]进行重组竹钢填板螺栓连接的受拉试验，发现端距在大于7 d时对承载力的影响几乎可以忽略，同时将试验结果与中美木结构规范计算公式进行对比，均偏保守，存在较大误差。惠勃涛[45]、王辰熙[46]研究胶合竹钢填板螺栓节点连接，分别对横纹和顺纹方向承载力计算方法及设计提出了可靠的建议。崔兆彦等[47]对单螺栓和多螺栓钢夹板连接进行试验研究，以厚径比、螺栓数量及排列方式、间距和端距作为影响因素，发现单列螺栓延性更好，验证了中欧规范对其承载力计算的相对适用性。王辰熙[46]、孙平[48]运用有限元模拟螺栓连接的承载性能及其应力分布，结果显示模拟得到的极限承载力数值与实际接近，但屈服荷载偏大。李霞镇等[49-51]进行重组竹钢夹板螺栓连接受压试验研究，基于螺栓直径、端距及厚径比等影响因素，揭示了节点承载特性和破坏形态，同时验证了中国2017年木结构设计规范预测其承载能力的适用性。陈爱军等[52]发现采用钢夹板螺栓连接方式在长度方向上可使梁增长，螺栓顺纹间距对梁的抗弯性能影响显著，承载力随螺栓顺纹间距增大而提高，在合理区间内可以通过增加端距和直径、钢夹板和主材厚度来提高承载力，同时证明有限元数值模拟方法的适用性。

图5 螺栓连接典型破坏模式[46]Fig.5 Typical failure mode of bolted connection

总的来说，目前国内外研究者对影响工程竹材螺栓连接承载力的因素进行了大量研究，如构件厚径比、螺栓直径、端距边距、加载方式、含水率等，现有研究中依据木结构规范得到的承载力计算值虽然具有一定程度上的适用性，但是均与试验值存在较大误差。其中，欧洲规范和美国规范都偏保守，因为美国木结构规范选用容许应力设计法，所以安全系数偏高；而欧洲规范考虑的节点需要经过较大的弯曲变形，才能使螺杆产生显著拉力及侧向力方向的分量，在钢夹板、钢填板螺栓连接中钢板形变量较小，因此这并不适用于工程竹材钢夹板、钢填板螺栓连接的承载力计算[51]。根据以上文献[44-51](表1)，依据各国规范计算得到的承载力理论值与实际试验值的误差大小表现为：美国规范>2003年木结构设计规范>2003年木结构设计手册>欧洲规范>加拿大规范>2017年中国木结构规范。我国木结构规范2017年和2003年相比，选用销槽承压强度以替换木材顺纹抗压强度，具有更强的适用性。虽然木材和工程竹材有一定的相似性，但是其在结构、性能上仍具有很大的差别，因此需要对节点结构连接进行更深入地理论研究，得到适用于工程竹材节点承载力的计算方法，建立符合工程竹结构的相关规范和统一的标准计算方法，从而推动工程竹材在户内外的进一步应用。

表1 工程竹材螺栓连接破坏形式与理论承载力计算比较Tab.1 Comparison of failure modes and theoretical bearing capacity of engineered bamboo bolted connections

2.3 金属套筒连接

圆竹构件采用钢丝绳索绑扎、榫接等传统连接方式往往存在节点处强度减小、易劈裂和折断等缺陷，于是便出现金属套筒节点连接方式以应用于现代竹结构中，而圆竹的尺寸一般无法统一，连接件难以实现批量生产[7]。工程竹材的出现解决了这一问题，完全适用这类装配式连接方式。

参考轻型木结构节点连接性能，国内外学者对有无外钢板、钢板厚度、螺栓数量、螺栓强度等参数对承载力、节点转动刚度、延性系数、抗震性能、耗能系数的影响进行了大量研究。李玉顺等[53-54]对T型钢—竹组合梁柱节点进行拟静力试验和地震作用下的有限元分析，结果均表明螺栓数量和螺栓强度无明显影响，而翼缘板厚加劲肋对增强节点的刚度、极限承载力影响显著。伍悉嘉[55]运用有限元分析发现增加劲肋和套管可以提高胶合竹梁柱的承载性能和节点稳定性，劲肋高度对其影响不大，而套管长度、套管和劲肋厚度影响较大，且厚度不宜小于12 mm。冷予冰[56]对钢填板螺栓节点和外包钢板螺栓节点2种工程竹梁柱节点进行单调加载对比试验，试验结果表明使用外包钢板有利于增强节点的抗侧性能。

图6 增设胫肋[54]Fig.6 Use outer steel plate

图7 使用外包钢板[56]Fig.7 Add tibia rib

以上节点连接方式解决了梁柱连接问题，在此基础上，周军文等[57-58]设计1种新型装配式框架节点，同时解决梁柱和柱柱连接问题，研究单调和循环荷载下钢板厚度对重组竹梁柱连接节点受力性能的影响，结果表明可以通过增加钢板厚度来提高节点处的刚度和极限承载力，但是会导致地震作用下耗能系数的减小。

图8 梁柱和柱柱连接组合[58]Fig.8 Beam-column and column-column connection combination

3 结论与展望

综上所述，国内外对于工程竹材力学性能和节点连接性能的研究都在逐步深入，笔者认为以下方面需要进一步研究：

在力学性能研究上，工程竹材作为户内外用材及结构建材具有优越性，力学性能强，具有高耐候性、高尺寸稳定性以及强耐腐性等优点。在实际工程应用中多为大尺寸构件，随着构件尺寸的增大，自然环境对工程竹材的腐朽和力学性能的影响也会越大，其影响机理尚不明确，需要进一步研究；同时，目前主要仍基于短期试验，无法模拟真实情况，需要对经受长期荷载时工程竹材的力学性能变化规律做出进一步探讨。

在节点连接性能研究上，节点连接性能作为现代竹木结构质量与安全的重要保障，节点处接合强度不足会导致整体结构的破坏。因此对工程竹材的连接方式进行更系统地研究具有必要性，需要总结出适合不同结构形式的工程竹材节点连接方式及配合参数；由于缺乏工程竹材相关标准规范，试验方法以及承载力计算仍依据国内外木结构相关规范，需要加快制定符合工程竹结构的系统的规范标准；规模化的工程竹材生产企业目前还没有形成，工程竹材的应用主要为示范性案例，缺乏社会认可度以及材料价格高等问题亟待解决。