不同条件下圆竹径向抗压力学性能1)

张文福 王 戈 程海涛 陈复明

(国际竹藤网络中心，北京，100102)

圆竹作为一种天然生物质梯度复合材料，其中空壁薄、有节的外观形态和具有强度高、韧性好的优良特性，尤其是绿色环保的优点，成为砖、岩石等建筑材料的替代品之一［1－2］。在实际应用中，由于搭接、交错支撑等结构设计的原因，圆竹的径向会承受不同的应力状态——单向受力，更多情况是多向受力，使得径向圆竹节点的连接成为竹结构荷载薄弱的环节［3－4］，因此，圆竹径向抗压力学性能是竹材作为结构构件使用设计的重要依据之一。国内外学者对圆竹用于建筑领域的耐久性、纵向的抗压、抗剪等力学性能和节点的设计已做了大量的研究［5－9］，但是对圆竹径向力学性能的研究较少，仅有相关学者进行了初步的研究［10－11］。

同时，由于竹材的生物质特性，其物理力学性能受环境温、湿度影响较大，其中竹材的黏弹性、刚度、韧性、非结晶区域的膨胀收缩、各级尺度上内应力的非稳态分布等都与温、湿度密切相关。因此，合理的环境条件是圆竹能否成为长期、安全承载的关键。相关学者已研究了不同温、湿度对竹材的动态力学性能和竹材增强单板层积材(LVL)力学性能的影响，以及竹材气干和饱和状态下的力学性能差异等［12－14］，但是对圆竹受不同自然环境作用下的径向抗压力学性能尚未见报道。基于上述考虑，笔者选用恒温恒湿、气干、蒸煮、低温和超低温处理方法模拟圆竹使用的不同自然环境，采用单轴向和双轴向压缩对圆竹径向抗压力学性能进行测试，分析不同条件对圆竹径向抗压承载能力及变形特性的影响，以期为圆竹的应用研究提供参考和借鉴。

1 材料和方法

材料 试验所采用的竹材为2年生毛竹，产于浙江富阳。

试样制备及处理 取直径为(80±2)mm的2年生毛竹生材，截取高度为20 mm的圆环若干个，为了保证试验的可对比性和防止竹圆环开裂，将试件储存在恒温恒湿箱里，温度为10℃、湿度为90%，至含水率稳定。待试件含水率平衡后，分别进行恒温恒湿处理(a)、气干处理(b)、蒸煮处理［15］(c)、低温处理(－5℃，48 h(d))、超低温处理(－80℃、48 h(e))。在温度(24±2)℃，相对湿度(30±3)%的实验室条件下，对圆竹的径向抗压力学性能进行测试。试件从不同条件中取出立即进行测试，各项测试有效样3个。

试验所用设备 3—D复合材料力学分析系统、德国费斯托型材切割机KS 120、value plus—86C ULT超低温冰箱、冰柜、三用恒温水箱、恒温恒湿箱、电子数显卡尺等。其中:3—D复合材料力学分析系统可测试材料的X、Y双轴向拉伸、压缩性能，传感器精度1 N，最大压缩力值为2 kN，压缩速度范围为0.013～1.066 mm/s，数据采集频率为10次/s。如图 1所示，试验机X轴与Y轴装有压缩顶头，压缩顶头端面为半圆形，半径为5 mm、长度为40 mm。

力学性能测试 对预先处理好的试件分别进行径向单轴压缩和双轴压缩。径向单轴压缩测试是先对试件的X、Y轴加载，使得样品被对称夹持，然后将Y轴移去，再进行单轴压缩试验;径向双轴压缩试验是同时调节X、Y轴，保证两轴对试件进行同步加载，试验预加载20 N，然后进行双轴向压缩试验。试验加载速度均为0.034 mm/s。

图1 3－D复合材料力学分析系统

2 结果与分析

2.1 变形破坏特性

为了便于对圆竹载荷—位移关系的环境作用效应进行分析，图2给出了竹圆环压缩全过程的典型位移—载荷关系曲线。对于没有缺陷的圆竹，其径向压缩全过程的典型载荷—位移曲线可分为5个主要阶段:①闭合阶段(OA段)，受压闭合造成的;②弹性变形阶段(AB段)，该阶段载荷—位移近似直线型，竹圆环表现出明显的线弹性;③屈服阶段(BC段)，本阶段圆环在受到外界载荷的作用下，竹环产生微破裂，且随着位移的增加裂纹不断扩展，直至试件出现宏观裂纹。本阶段上界载荷为峰值载荷(C点);④结构破坏阶段(CD段)，本阶段裂隙快速发展，竹材的圆环结构受到挤压破坏，形成宏观断裂面;⑤丧失承载能力阶段(DE段)，竹圆环的主要结构破裂后，随着位移的增加，圆竹结构完全受到破坏，丧失径向承载能力。

图2 圆竹径向压缩典型载荷—位移曲线

图3 圆竹径向抗压载荷—位移曲线

图3给出了恒温恒湿处理、气干处理、蒸煮处理、低温处理和超低温处理后竹圆环载荷—位移过程曲线。由图3可得:单轴和双轴向压缩试件的载荷—位移曲线基本遵循上述(如图2)5个发展阶段。图3(a)中，气干处理单轴压缩到达峰值载荷后，圆环状结构完全破坏，丧失承载能力，没有出现结构破坏阶段(CD段);而图3(b)中，气干处理双轴向压缩载荷—位移曲线出现波动情况，这是由竹圆环竹青部位的破坏引起。蒸煮处理试件的屈服阶段最长，压缩位移最大，试件塑性最好。超低温处理试件峰值载荷最大，试件的刚性增强。

竹圆环径向压缩破坏位置发生在相邻两个轴向作用力之间，试件破坏处外侧承受拉应力，内侧承受压应力。如图4所示，若假设相同环境条件下竹圆环各截面破坏弯矩相等，单轴向压缩各破坏点(A、B)初始弯矩对应力臂为圆环半径R，双轴向压缩各破坏点(A、B、C、D)初始弯矩对应的力臂为R－在径向压缩过程中，随着竹圆环的压缩变形，力臂逐渐增大，但是单轴压缩弯矩的力臂始终大于双轴压缩弯矩的力臂，当载荷P达到峰值载荷时，破坏点的弯矩达到破坏弯矩［16］。因此得:相同条件下，试件的双轴向压缩峰值载荷均大于单轴向压缩峰值载荷。

图4 圆竹径向压缩受力示意图

2.2 径向抗压力学性能

表1、表2分别给出了不同方法处理后竹圆环的径向单轴压缩和径向双轴压缩试验结果。由表1、表2可见，不同环境对单轴向压缩的影响与双轴向压缩的影响趋势略有不同。与恒温恒湿处理相比较，气干处理试件的径向抗压能力明显减弱，其单轴向和双轴向承载能力分别下降17.67%和25.38%;蒸煮处理试件的单轴向承载能力上升6.74%，但是双轴径向承载能力却下降16.29%;低温处理试件的单轴向和双轴向承载能力分别上升24.72%和3.79%;超低温处理试件的径向抗压能力明显增强，其单轴向和双轴向承载能力分别上升30.62%和18.83%。因此可得，圆竹在不同条件下的径向单轴、双轴向压缩强度σ单和σ双的排序分别为:σ单e＞σ单d＞σ单c＞σ单a＞σ单b;σ双e＞σ双d＞σ双a＞σ双c＞σ双b。

表1 不同处理方法圆竹单轴向压缩力学性能

表2 不同处理方法圆竹双轴向压缩力学性能

根据竹圆环的径向抗压力学性能的变化特点，分析恒温恒湿处理、气干处理和蒸煮处理引起的含水率变化对竹圆环径向抗压力学性能的影响，可得:与含水率为15.74%时圆竹的径向抗压承载能力相比，含水率为6.89%时的圆竹径向抗压承载能力有所下降;而含水率为72.20%时，圆竹的径向抗压力学性能因其评价方法的不同呈现不同的变化趋势。其原因可能是:当竹材含水率低于纤维饱和点时，由于竹材各向异性和干缩湿涨的特性，使其产生干缩应力，且含水率越低干缩应力越大;在轴向载荷的作用下，集中在竹青部位的应力得到释放，使竹圆环表面较早地出现裂纹，迫使其宏观结构被破坏，从而表现出承载能力降低。当竹材含水率高于纤维饱和点时，水分子进入无定形区使纤维润胀，竹材塑性增加［17］，此时竹圆环不存在干缩应力的影响。但是，高含水率的圆竹在受双轴向压缩时，其局部的塑性变形使圆竹的结构由圆环状被挤压成类正方形［16］，其承载能力降低。

分析由恒温恒湿处理、低温处理和超低温处理引起的环境温度变化对竹圆环径向抗压力学性能的影响，可得:竹圆环的径向抗压力学性能随处理温度的降低而升高。这是因为竹材是由纤维素、半纤维素和木素为主要成分组成的非晶高聚物，竹材中相对做独立运动的链段含有大量的极性羟基，试件的含水率较低时，竹材中的水分主要以结合水存在，水分子与链段中的羟基极易形成氢键结合。当温度处于玻璃化转变点以下时，水分子与羟基链段一同被冻结，链段之间不存在相对迁移，竹材表现出刚硬的玻璃态，使得竹圆环的承载能力增强［13］。

3 结论

不同处理条件圆竹的径向抗压力学性能不同，其径向单轴、双轴向压缩强度 σ单和 σ双的排序分别为:σ单e＞σ单d＞σ单c＞σ单a＞σ单b，σ双e＞σ双d＞σ双a＞σ双c＞σ双b;相同环境下圆竹的径向双轴向压缩承载能力均大于其单轴向压缩的承载能力。

气干处理竹材的含水率降低，干缩应力增大，其圆环状宏观结构易发生破坏，径向抗压力学性能下降;蒸煮处理竹材的塑性增加，承载时间提高;低温和超低温处理竹材的刚度增强，承载能力增强。因此，竹材的含水率和温度的变化，使得圆竹的径向抗压能力发生不同程度的变化。

不同处理条件对圆竹的径向抗压力学性能具有较大的影响。模拟圆竹使用的不同自然条件，设计不同的评价方法对圆竹径向力学性能进行试验，分析其在不同环境下的承载能力和变形特性，可较好地反映圆竹在实际应用中的径向力学性能，并为评价圆竹遭受环境变化时的荷载稳定性提供参考依据。

［1］江泽慧.世界竹藤［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，2002.

［2］黄祖波，李春宝，吴岩，等.竹材在土木建筑中的应用［J］.森林工程，2007，23(2):79 －80.

［3］刘宇波，李佳.哥伦比亚建筑师西蒙·维列和他的竹构建筑［J］.世界建筑，2009(6):94 －97.

［4］张楠，柏文峰.原竹建筑节点构造分析及改进［J］.科学技术与工程，2008，8(18):5318 －5322，5326.

［5］Janssen J J A.Designing and building with bamboo［R］.Beijing，China:INBAR，2000.

［6］Chung K F，Yu W K.Mechanical properties of structural bamboo for bamboo scaffoldings［J］.Engineering Structures，2002，24(4):429－442.

［7］Yu W K，Chung K F，Chan S L.Column buckling of structural bamboo［J］.Engineering Structures，2003，25(6):755 －768.

［8］Yu W K，Chung K F，Chan S L.Axial buckling of bamboo columns in bamboo scaffolds［J］.Engineering Structures，2005，27(1):61－73.

［9］Takeuchi C，Rivera J F，Rusinque M.Structural behaviour of braced guadua frames［C］.Bath，UK:2009.

［10］Torres L A，Ghavami K，Garcia J J.A transversely isotropic law for the determination of the circumferential YOUNG’S modulus of bamboo with diametric compression tests［J］.Latin American Applied Research，2007，37(4):255 －260.

［11］王戈，陈复明，程海涛，等.圆竹双轴向压缩方法的研究［J］.中南林业科技大学学报，2010，30(10):112－116.

［12］朱一辛，张心安，关明杰.环境温湿度对竹材增强LVL力学性能的影响［J］.南京林业大学学报:自然科学版，2006，30(6):37－40.

［13］关明杰，张齐生.竹材湿热效应的动态热机械分析［J］.南京林业大学学报:自然科学版，2006，30(1):65 －68.

［14］王汉坤，余雁，喻云水，等.气干和饱水状态下毛竹4种力学性质的比较［J］.林业科学，2010，46(10):119 －123.

［15］赵瑞艳，付钓钧，孙婷.不同软化处理方法对竹材质量的影响［J］.佳木斯大学学报:自然科学版，2009，27(4):637 －640.

［16］周亮，周明.理想刚塑性圆环压缩大变形分析［J］.金属成形工艺，1994，12(4):174 －178.

［17］李文珠，林卫军，张文标.木材软化机理初探［J］.中国木材，2001(1):38－40.