新型嵌入式钢筋增强竹梁力学性能试验研究

陈冬剑，周正伟，潘利群

(南京林业大学土木工程学院，南京210037)

在当前发展低碳经济的大背景下，绿色、生态、环保、低碳的新型建筑结构材料是土木工程科技发展的必然方向。竹材最大的优势是绿色环保和原材料可再生，竹材的成材期一般为2～4a(木材要20a)，强重比远胜于混凝土等材料，较好的弹性与韧性保证了其具有良好的变形能力。此外，利用竹质工程材料建造的竹结构建筑［1～2］、桥梁体系也已经得到了实践应用。但是，作为竹结构的主要受力构件，无论是采用竹帘胶合板、竹材层积材，还是竹材重组材加工制作，其在应用中存在以下问题［3～4］:

(1)竹材的弹性模量低，竹材受弯构件的设计都为截面的刚度控制。

(2)竹梁截面下部受拉区的缺陷对强度降低的影响较大，力学性能较为离散。

(3)脆性的破坏模式与结构构件对延性的需求不相符。

针对传统竹结构的应用不足，本文提出一种增强竹梁，在不改变竹材重组竹加工工艺的情况下，利用嵌入式［5］加固技术将钢筋复合于竹梁的受拉区，通过试验初步验证其增强效果。

1 竹梁制作工艺及试验概况

1.1 嵌入式钢筋增强竹梁制作工艺

增强竹梁与对比竹梁均采用现代竹材重组工艺加工制作，其竹材原料应采用竹身弯曲程度较小，竹龄在3a以上的毛竹，竹材剖篾后，根据生产工艺要求，篾片的含水率应控制在10%～14%以保证其产品质量。本试验所用重组竹材由生产厂商直接提供，钢筋选用直径12mm和16mm的Ⅱ级螺纹钢筋，嵌入式钢筋增强竹梁其关键工艺为:重组竹构件成型－开槽－嵌入钢筋－浸胶－竹条封面(如图1所示)。

在构件制作过程中需注意如下几点:

(1)开槽方向沿构件轴线方向，槽宽和槽深需大于钢筋的直径。

(2)钢筋布置于开槽内且为粘结填充材料 (结构胶、环氧树脂、乙烯基树脂中的一种)所包裹。

(3)封面竹条通过粘结填充材料与竹材相粘结覆于槽口处，其宽度与开槽的槽口宽度相同且外表面与开槽外口齐平。

1.2 试验概况

参考GB/T 50329－2002《木结构试验方法标准》的规定，本试验所采用试件尺寸为1870mm×160mm×106mm，钢筋距离底面20mm，构件截面形式分三种即不开槽的对比梁、开一条槽的配筋竹梁和开两条槽的配筋竹梁，构件详细参数见表1。

图1 增强竹梁工艺Fig.1 Technology of bamboo beams reinforced with near surface mounted steel bars

表1 试验构件参数Tab.1 Parameters of specimens

加载试验为静载试验，采用两点匀速加载，具体加载情况和试验装置如图2所示。试验梁全长在1 870mm左右，净跨距1 710mm，梁居中放置，集中荷载作用点间距570mm。试验初期加载速度为2mm/min，在接近理论最大荷载时速度变为1.5mm/min，以便观察试件的具体破坏过程。

图2 跨中截面测点布置及加载情况Fig.2 Measuring points arrangement of the mid-span section and loading

为了记录梁试件侧面和上下底面的应变，在三个面上分布了9个电阻应变片1#～9#，具体的分布位置如图2所示。应变片都布置于梁跨中L/2的位置，这个位置应变相对较大，也是最容易破坏的位置。在上顶面和下底面纵向中轴线两边各15mm处布置应变片，用来测量上顶面和下底面的应变情况;在正侧面纵向中轴线和距离中轴线25mm，55mm的上下侧共五处布置应变片。荷载大小由顶端传感器测出，对于试件位移采用位移计来量测，在梁L/4，L/2，3L/4的位置下部架设位移计百分表，在梁顶面支座处布置两个位移计百分表 (如图2所示)，在试验过程中同时观察记录竹梁破坏形态。

2 试验结果及分析

2.1 试件荷载－跨中位移关系曲线

作为四根对比梁的代表，由对比梁试件B1(B1与四根对比梁的试验平均值相近)的荷载－跨中位移曲线 (如图3所示)可见随着荷载的增加，初期跨中位移呈线性增加，当加载到一定程度后，曲线呈现非线性变化，说明试件进入塑性阶段，当加载接近极限荷载时，曲线逐渐平缓，荷载上升很慢;试件在达到极限荷载后，承载力迅速下降。根据我国《木结构设计规范》［6］规定，作为结构的受弯构件，梁和格栅的挠度限值为L/250，而试件B1与四根增强梁B－S12－1、B－S16－1、B－S12－2、B－S16－2对应极限荷载时的挠度分别为跨度 L(取净跨1710mm)的1/40、1/44、1/36、1/38和1/43，都远远超过《木结构设计规范》规定的L/250的限值，由此可见钢筋增强竹梁的设计荷载仍然是由其截面刚度控制。

图3 荷载－跨中位移对比关系曲线Fig.3 Contrast relation on load and mid-span deflection

2.2 破坏形态分析

通过对四根对比竹梁的试验研究，无配筋竹梁呈现出两种破坏形态 (如图4所示)，一种是竹梁底部跨中附近竹材纤维达到极限拉应变发生断裂(如试件B1、B2和B3)，裂口将由底面向上发展约10～20mm，而后沿试件轴线方向形成水平裂缝向左右开展，整个过程发生时间较短，一旦开裂，荷载即达到峰值，而后迅速下降;另一种破坏形态(如试件B4)为竹梁试件截面中部突然发生沿试件纵向的剪切破坏，该破坏形态一旦发生伴随轰然巨响，于截面中部形成一条水平裂缝贯穿至竹梁的两端。回顾四根对比梁的试验过程，在破坏时四根对比梁都呈现出显著的挠曲变形。

图4 对比梁试件典型破坏形态Fig.4 Failure modes of bamboo beams without steel bars strengthening

图5 增强竹梁破坏形态Fig.5 Failure modes of bamboo beams reinforced with near surface mounted steel bars

四根增强竹梁的竹材在破坏形态上与图4所示对比梁的破坏形态1相似，但受竹梁底部开槽影响，裂口在底面的开展并不延续 (如图5(a)所示);钢筋的嵌入在一定程度上提高了竹梁的刚度，增强竹梁沿水平方向分层逐渐拉断 (如图5(b)所示);破坏后的增强竹梁钢筋并未发生纵向滑移，但由于跨中封面竹条开裂以及位移的增大，钢筋随着竹梁发生弯曲变形，在卸载后，竹梁自身能够回复大部分的位移，钢筋的变形不能回复，因而钢筋与竹梁底面在竖向存在残余位移偏差 (如图5(c)所示)。总的来说，增强竹梁破坏前具有一定的征兆，且随着钢筋屈服和竹材纤维的拉断，钢筋屈服后依旧提供一定的弯曲承载力，试件临近破坏时有明显的挠曲变形。

2.3 截面刚度及应变分析

表2给出了各试件的试验结果及刚度分析，四根增强竹梁B－S12－1、B－S16－1、B－S12－2和B－S16－2的极限荷载分别为 171.65kN、184.70kN、171.89kN、173.14kN，相比于四根对比梁的平均值提高17% ～26%，强度得到很好的提高，但通过改变钢筋数量极限荷载并未出现显著提高，分析原因可能是受拉区竹材纤维达到极限拉应变开裂破坏控制极限状态。各增强竹梁对应规范挠度限值L/250时的荷载PL/250分别为35.57kN、34.09kN、31.67kN、34.28kN，相比于对比梁的平均值27.76kN提高了14%～28%，这说明钢筋较高的弹性模量对增强竹梁的刚度改善起到了良好的作用效果。

表2 各试件试验结果及截面刚度分析Tab.2 Experimental results of specimens and analysis of section stiffness

图6给出了部分试件跨中截面各测点的应变随荷载的变化，正值表示拉应变，负值表示压应变，在整个加载过程中，各测点处竹材应变与荷载关系近似为线性变化，应变于后期发展较快;以图6所列三根试件 (B1、B－S12－1、B－S16－1)为例，在80kN时，三根试件的最大拉应变依次为3849με、3282με、2960με，最大压应变依次为 －4202με、 －3845με、 －3200με，在 100kN 时，三根试件的最大拉应变依次为 5110με、4144με、3903με，最大压应变依次为 －5536με、 －4957με、－4107με，就拉应变而言，B－S12－1试件减小约17%，B－S16－1试件减小约24%，这说明钢筋的嵌入分担了受拉区竹材的拉应力，其分担效果受配筋参数的影响。

图6 部分试件荷载－应变关系曲线Fig.6 Relationship between load and strain of part specimens

3 结论与展望

本文提出一种新型嵌入式钢筋增强竹梁，利用嵌入式技术将钢筋嵌入竹梁的受拉区进行竹梁增强，并进行了四根对比竹梁试件与四根嵌入式钢筋增强竹梁试件的静载试验，试验研究结果表明:

(1)对比竹梁呈现出两种破坏形态，第一种为竹梁底部竹纤维脆性拉断 (如试件 B1、B2、B3)，断口向上开展并形成水平向裂缝，另一种(如试件B4)为竹梁截面中部突然发生沿纵向的剪切破坏形成贯穿至竹梁一端的水平裂缝;嵌入式钢筋增强竹梁破坏形态类似于对比竹梁的第一破坏形态。

(2)相比于四根对比梁的平均试验数据，在L/250的同级跨中位移下，增强试件的承载力提高了14%～28%，这表明了构件增强后刚度得到了显著的提高，但是各试件对应极限荷载时的实际挠度都远远超过了我国《木结构设计规范》规定的L/250，嵌入式钢筋增强竹梁仍然是截面刚度控制设计。

(3)通过对试验后期各试件加载时的拉应变进行对比发现，钢筋的嵌入分担了受拉区竹材的拉应力，其分担效果受配筋参数的影响。

目前，我国建筑结构多为砖混结构与钢筋混凝土结构，然而砖混结构的抗震性能较差，混凝土结构构件存在自重大、抗裂性能差等缺陷，且其材料能耗高、污染大，与我国可持续发展战略要求不符。竹结构具有类似木结构的优越性能，而本文提出了一种嵌入式钢筋增强竹梁，可重点解决竹结构刚度低、力学性能离散、破坏模式脆性等应用缺陷。

此外，新型嵌入式钢筋增强竹梁通过嵌入技术将钢筋嵌入到竹梁内部，不易发生截面筋材位置的偏移，定位准确，质量可靠，嵌入工艺不改变竹梁原有的外形美观性，在某些建筑结构中嵌入式钢筋增强竹梁能够成为钢筋混凝土良好的替代品，从而发挥其更大的实用价值。

致谢:本文研究得到了南京林业大学魏洋副教授、李国芬教授的指导和支持，在此表示深深地感谢!

［1］吕清芳，魏 洋，张齐生，等.新型抗震竹质工程材料安居示范房及关键技术［J］.特种结构，2008，25(4):6 －10.

［2］吕清芳，魏 洋，张齐生，等.新型竹质工程材料抗震房屋基本构件力学性能试验研究［J］.建材技术与应用，2008，(11):1－5.

［3］魏 洋，蒋身学，吕清芳，等.新型竹梁抗弯性能试验研究［J］.建筑结构，2010，40(1):88 －91.

［4］魏 洋，蒋身学，李国芬，等.FRP筋增强竹梁的力学性能试验研究［J］.工业建筑，2009，39(S1):327 －331.

［5］李 荣，滕锦光，岳清瑞.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域 －嵌入式(NSM)加固法［J］.工业建筑，2004，34(4):5 －10.

［6］中华人民共和国国家标准.木结构设计规范(GB50005－2003)［S］.北京:中国建筑工业出社，2003.