竹质工字梁抗弯性能的研究

喻云水 ，周蔚虹 ，刘 学

竹质工字梁抗弯性能的研究

喻云水1，2，周蔚虹1，刘 学1

(1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410004；2. 竹业湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410004)

竹质工字梁是将慈竹竹帘胶合板锯裁成翼缘板与腹板后，通过等边角钢用螺钉联接而成。采用两端简支，在梁跨方向三分点处进行两点加载试验，量测竹质工字梁的应变和变形。结果表明：工字梁翼缘与腹板之间的螺钉连接可靠性与有效性不高，腹板边缘与翼缘之间的剪力不能有效传递；腹板端部发生剪切破坏，腹板受拉区发生裂缝。

竹质工字梁；慈竹；竹帘胶合板；力学性能

我国竹资源丰富，竹子种类多，竹林总面积居世界第一位。竹材的抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度比木材约高10%，竹材的比强度是钢材的3～4倍[1]。竹材具有作为建筑结构用材的条件，若将其开发成合理的结构用材，则能够拓宽竹材的用途[2-5]。在竹建筑领域，单波等[6]开发了一种以竹胶合板为基材的现代竹结构人行桥梁，并研究了竹胶合板梁的成型工艺和构件的力学性能。魏洋等[7]指出竹结构在设计与建造方面都具有非常好的灵活性，具有出色的抗震性能，其最大优势在于绿色、低碳、节能、减排，竹质工程材料能够达到现代结构工程的要求。李玉顺等[8]对钢—竹组合工字梁进行了受剪性能试验，研究结果表明：钢—竹组合工字梁整体工作性能优良，组合效应显著，具有较高的承载力和刚度。笔者研究了一种慈竹竹帘胶合板，将慈竹竹帘胶合板锯裁成翼缘板与腹板后，通过等边角钢用螺钉联接而成竹质工字梁。采用两端简支，在梁跨方向三分点处进行两点加载试验，量测竹质工字梁的应变和变形，并研究竹质工字梁的破坏过程和机理，为竹质工字梁应用于竹质建筑领域提供力学性能基础数据。

1 材料与方法

1.1 材 料

(1)慈竹竹帘胶合板制备

慈竹：产自四川长宁县。将慈竹加工成长130～150 cm、宽20～40 mm、厚1～1.5 mm的竹篾后用棉线编织成竹帘，施加酚醛树脂胶粘剂后，在90 ℃条件下干燥至含水率12%。按照相邻层互相垂直的方式，组坯热压成幅面为1 300 mm×3 000 mm，名义厚度为32 mm的慈竹竹帘胶合板，其物理力学性能，见表1，并用于竹质工字梁的制造。

表1 慈竹竹帘胶合板物理力学性能Table1 Physical and mechanical properties of Bambusa distegia curtain plywood

(2)竹质工字梁试件制造

试验测试用竹质工字梁试件由3块慈竹竹帘胶合板通过40 mm等边角钢用螺钉固定而成。螺钉长20 mm，直径8 mm，每150 mm一个螺钉。试件主要参数为竹质工字梁截面的翼缘厚度、翼缘宽度、翼缘长度、腹板宽度与腹板高度等。通过现场测量，竹质工字梁的基本尺寸数据如表2所示。

表2 竹质工字梁的基本尺寸Table 2 Basic size of bamboo I-shaped beam

1.2 试验方法

(1)加载方式

试件采用两端简支，采用液压千斤顶，通过分配梁在1/3跨处对试件进行2点加载，中间1/3跨内为纯弯段，荷载通过设置在液压油缸下部的力传感器测定。竹质工字梁试验加载示意图如图1，其中l为试件总长，h为100 mm，a=(l—2 h)/3。竹质工字梁净跨为2 600 mm，预载为10 kN，对竹质工字梁分级加载，每级加载10 kN。

(2)测量内容

①荷载测量：通过力传感器测量。

②挠度测量：测量5个点的竖向位移，百分表进行读数。

图1 竹质工字梁加载示意Fig. 1 Loading of bamboo I-shaped beam

③应变测量：跨中腹板5个应变值，上、下翼缘板中间各1个应变值和支座45° 2个应变值，共9个应变值，用3 815应变箱进行测量。

2 结果与分析

不同荷载条件下竹质工字梁抗弯试验结果如表3。

根据表3试验结果绘制竹质工字梁加载过程中挠度分布与发展曲线如图2所示，加载初期，竹质工字梁的跨中荷载—挠度呈线性发展；当荷载超过20 kN后，不断出现螺栓与连接角钢摩擦以及被拔出的响声；在加载超过80 kN后，部分螺钉出现明显的拨出现象，且发出的声响较大，在发出声响的同时，荷载出现明显的波动。当荷载达到的120 kN后，荷载基本不再增加而变形增大，梁不断发出开裂声。当荷载增加至125 kN时，腹板中部出现剪切破坏荷载力大幅降低，试验终止。

图2 挠度分布与发展Fig. 2 Distribution and development of deflection

表3 竹质工字梁抗弯试验结果†Table 3 Experiment results of bending behavior of the bamboo I-shaped beam

图3 跨中荷载-挠度曲线Fig. 3 Curves of mid-span load and deflection

对于竹质工字梁，当荷载增加至125 kN时，腹板中部出现剪切破坏，荷载力大幅降低。说明腹板抗剪切强度较小。根据表3试验结果绘制梁跨中荷载与挠度曲线如图3，从图3可以看出，竹质工字梁的抗弯刚度开始阶段比较稳定，荷载超过25 kN后，刚度出现显著减小，此后，刚度退化趋势逐步加快，与螺钉的拔出与滑移现象有密切关系。

根据表3试验结果绘制各级荷载下跨中截面的应变分布情况如图4。从图4中可以看到，随着荷载的增加，上、下翼缘变形显著小于腹板边缘的变形，腹板的变形与翼缘的变形不协调，这表明螺钉连接的剪应力传递效果不好，影响了构件的刚度和承载力。

图4 跨中截面应变分布曲线Fig. 4 Curves of middle cross section strain distribution

3 结 论

(1)竹质工字梁翼缘与腹板之间的螺钉连接可靠性与有效性不高，腹板边缘与翼缘之间的剪力不能有效传递，这样引起腹板与翼缘的变形不协调。因此，需要将螺钉连接改为螺栓连接，增加联接件的可靠性与有效性，保证腹板边缘与翼缘剪力的有效传递，可有效提高竹质工字梁的刚度和承载力。

(2)竹质工字梁腹板发生剪切破坏，说明腹板抗剪强度不高。需要改变腹板用竹帘胶合板中的竹帘配置方向和数量，以提高腹板高度方向上的抗压强度和抗剪强度，以达到提高竹质工字梁的承载力与延性。

[1] 赵仁杰,喻云水.竹材人造板工艺学[M].北京:中国林业出版社, 2002.

[2] 单 炜,李玉顺.竹材在建筑结构中的应用前景分析[J].森林工程, 2008, 24(2): 62-65.

[3] Jiang SH X, Znang Q SH,Jiang SH H. On Structure, production,and market of bamboo-based panels in China[J]. Journal of Forestry Research, 2002, 13( 2): 151-156.

[4] Papadopoulos A N, Hill C A S, Gkaraveli A, et al. Bamboo chips( Bambusa vulgaris) as an alernative lignocellulosic raw material for particleboard manufacture[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2004, 62(1): 36-39.

[5] Mcclure F A. Bamboo in the economy of Oriental peoples[J].Economic Botany,1956, 10(4):335-361.

[6] 单 波,周 泉,肖 岩.现代竹结构人行天桥的研发和建造[J].建筑结构. 2010, 40(1): 92-96.

[7] 魏 洋,张齐生.现代竹质工程材料的基本性能及其在建筑结构中的应用前景[J].建筑技术, 2011, 42(5): 390-393.

[8] 李玉顺,沈煌莹.钢—竹组合工字梁受剪性能试验研究[J].建筑结构学报, 2011, 32(7) 80-86.

Study on bending behavior of the bamboo I-shaped beam

YU Yun-shui1,2, ZHOU Wei-hong1, LIU Xue1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry, Changsha 410004, Hunan, China)

The bamboo I-shaped beam was made of flange plate and web plate which were sawed and cut from bamboo curtain plywood,and connected and fixed by equilateral angle steel and screws. The loading experiments of the bamboo I-shaped beam were carried out by using simply supported at both ends beam, and loading at three dividing point along the direction of beam span. The results indicate that the reliability and effectiveness of the screw fastening between the flanges and web of the I-shaped beam were not high;and the shearing force between the edges of the web plate and the flange plate can not be effectively delivered;the shear compression occurred in the end of the web plate,and the cracks occurred in the tensile region of the web plate.

bamboo I-shaped beam; Bambusa distegia; bamboo curtain plywood; mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)01-0154-03

2011-11-20

国家林业公益性行业科研专项(201004005)；湖南省科技重大专项(2011FJ1006)；湖南省教育厅高校产业化培育项目(11cy027)；中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助项目

喻云水(1964—)，男，湖南宁乡人，教授，博士生导师，主要从事竹质工程材料的研究

[本文编校：欧阳钦]