竹质建筑结构柱抗压性能的研究

刘 学，喻云水,，周蔚虹

(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)

竹质建筑结构柱抗压性能的研究

刘 学1，喻云水1,2，周蔚虹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)

利用竹胶合板与L型钢制备用于竹结构房屋支撑作用的竹质建筑结构柱，采用双向刀铰与500吨长柱试验机对其进行静态抗压测试，测量结构柱抗压性能，观察其在轴向压力作用下的压缩、弯曲变形，分析竹帘胶合板力学性能、连接方式、破坏形式等对结构柱力学性能的影响。结果表明：竹质建筑结构柱结构柱破坏荷载为700 kN，抗压强度为33.26 MPa；竹质建筑结构柱端部出现局部受压破坏；竹质建筑结构柱翼缘与侧板之间的螺钉连接强度不高，两者之间所受剪力不能有效传递。

竹质建筑结构柱；慈竹；竹帘胶合板；抗压性能

我国是竹子资源丰富的国家，由于竹子生长快，成才周期短[1-2]，加之竹材具有强度高、质量轻，环保节能等优点，能广泛应用于建筑、工业、交通等领域[3-6]。特别是考虑强重比时，竹材更具优势，可作为钢材和混凝土材料一种有益的补充材料[7-8]。李玉顺等[9]进行了钢-竹组合工字梁受剪性能试验，试验结果显示：钢-竹组合工字梁在弯矩及剪力共同作用下，整体性能突出，组合效应良好。吕雁等[10]研究了竹胶合板矩形梁的力学性能，研究结果表明：竹胶合板矩形梁与工程中常用木材力学性能相近，完全可以代替木材用于实际工程,并能达到较好的效果。蒋天元[11]等人研究了箱形钢-竹组合柱抗震性能，结果表明：钢-竹组合柱具有良好的组合效应，具有较高的刚度和承载能力，能应用于实际工程领域。

本文采用竹帘胶合板做为翼缘板与腹板，通过L型钢与螺钉连接制成竹质工字柱，再用竹帘胶合板薄板作为侧板将两翼缘板之间相连而成的竹质建筑结构柱。采用双向刀铰与500 t长柱试验机进行静力加载，测量竹质建筑结构柱的荷载与变形，并研究其抗压破坏过程和机理，为其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 试验材料

1.1.1 竹帘胶合板

竹帘胶合板：产于四川长宁县，材种为慈竹Bambusa emeiensisChin et H. L. Fung。

将慈竹加工成2 100 mm长、20～40 mm宽、1～1.5 mm厚的竹篾。再通过织帘机用棉线编织成竹帘，竹帘含水率干燥至10%左右。将竹帘放入浸胶框中，再浸入固体含量在23%～25%的水溶性酚醛树脂胶中并浸渍3～5 min。施加酚醛树脂胶粘剂后，在90 ℃条件下竹帘干燥至含水率为12%。组坯方式为相邻层互相垂直，热压工艺参数：热压温度130～140 ℃，热压压力3.5～4.0 MPa，保压时间50 min。采用“冷进冷出”工艺进行热压，热压成幅面为2 100 mm × 1 220 mm，名义厚度为25 mm与15 mm的2种竹帘胶合板。竹帘胶合板物理性能指标见表1。

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

1.1.2 金属连接件

（1）L型钢：臂长50 mm，厚度3 mm，材质为材质为Q235A，普通碳素结构钢。

（2）螺钉：长20 mm，直径8 mm，长度方向螺钉间距150 mm。

1.2 试验方法

1.2.1 竹质建筑结构柱试件制备

竹质建筑结构柱试件包括两大部分：一是工字型竹柱为主体，由3块慈竹竹帘胶合板（2块为翼缘板，1块为腹板）通过等边L型钢用螺钉固定而成；二是侧板，即在翼缘板两侧进行固定封边作用的薄型胶合板。最终样品为方形结构柱，定义为竹质建筑结构柱。横截示意图见图1(C)，竹质建筑结构柱主要参数为翼缘厚度、翼缘宽度、腹板宽度、腹板高度、柱高等。通过现场测量，竹质工字梁的基本尺寸数据见表2。

1.2.2 试验仪器

(1)长柱试验机：YES-500型，量程：500 t，长春试验机厂制造。

图1 试件测试布置Fig. 1 Testing layout of specimen

表2 竹质建筑结构柱的基本尺寸Table 2 Basic size of bamboo building structural column

(2)静态应变测量系统：DH3818型，江苏东华测试技术有限公司。

1.2.3 试验原理与方法

(1)试验原理：利用长柱试验机对结构柱施加静力载荷，通过安装在结构柱不同部位的应变片与百分表测得在加载过程中结构柱侧面所产生的挠度与变形，观察结构柱的破坏形态，分析结构柱挠度与变形结果，得出结构柱轴心抗压强度与挠度变化规律。

(2)试验方法：试件两端采用双向刀铰，可在试件端部的相互垂直的两个轴线上绕任何方向转动；柱顶和柱底的双向刀铰放置方向在任何方向柱的计算长度不变。竹质建筑结构柱试验加载示意图如图1(A)，结构柱翼缘板中心处应变片为纵向应变片1与横向应变片2，侧板中心处应变片为纵向应变片3与横向应变片4，百分表位于竹柱四等分点位置，预载为10 kN，检查仪器运作情况，再卸载，之后对竹柱分级加载，前期每级加载10 kN，后期为20 kN。

1.2.4 测量内容

应变测量：在柱的中央截面的4个侧面沿竖向和横向粘贴标距为50 mm的电阻应变片各一对，用DH3818应变箱进行测量，应变片分布及编号见图1(C)。

挠度测量：在柱的相邻侧面，测量四等分点与两端点处侧向位移，用于测量竖向位移，用百分表进行读数，百分表分布见图1（B）所示。

荷载通过力传感器测量，总体压缩变形利用百分表进行测量。

2 结果与分析

2.1 抗压强度与破坏模式

图2为试件轴向压缩位移与压缩载荷曲线图。由图2可知，在整个压缩过程中，轴向压缩位移基本呈线性变化，试件在预加载60 kN后对应变计与百分表进行记录。测试开始后，在荷载达到100 kN之前，试件未发生任何破坏现象。当荷载超过100 kN后，因胶合板内部部分粘结剂被拉坏而不断出现响声。当载荷从220 kN加载到240 kN时，压缩位移增量较小，因竹材是生物质材料，轴向抗压强度与韧性较好，故会出现这样的情况。在载荷达到320～380 kN时，也出现同样情况。在加载超过480 kN后，因胶合板内部粘结剂破坏长度加大，胶合板内部竹帘发生部分破坏，发出的声响较大。当加载到650 kN时，侧板与翼缘板之间的剪力超过连接钉强度，使侧板与翼缘板发生分离，连接钉被拔出（见图3）。当加载到700 kN时，试件所承受的荷载超过翼缘板轴向抗压强度，引起翼缘板下部发生破坏，使试件失去承载力（见图4）。

图2 轴向压缩位移与压缩载荷曲线Fig. 2 Curve of axial compressive displacement and compression load

图3 侧板与翼缘板发生分离Fig. 3 Side plate separation from fl ange plate

图4 翼缘板下部破坏Fig. 4 Damaged lower part of fl ange plate

试验结果表明结构柱最终因组成构件的竹帘胶合板开裂，从而使构件失去承载力。结构柱的破坏荷载为700 kN，抗压强度为33.26 MPa，轴向压缩量最大值为5.656 mm。

2.2 竹柱挠度变化分析

测试初期，双向刀绞会对受压试件进行自动对中，初期百分表测试的数据不准确，故设预加载荷为40 kN，将此点数据设为零点，进行数据分析。

2.2.1 翼缘板挠度分析

图5为翼缘板侧向位移与载荷曲线图，图6为翼缘板各点侧向位移轴向分布图。由图5、6可知，在载荷小于260 kN时，翼缘板侧向位移在0点周围呈波度变化，绝对值较小，翼缘板侧向位移不明显。因翼缘板与腹板用L型钢与螺钉连接，轴向抗压强度得以提高，同时侧板连接两块翼缘板，对翼缘板侧向位移变化有一定的束缚作用，因此翼缘板侧向位移绝对值较小，可认为翼缘板变形较小。当载荷超过260 kN后，各测试点均发生较大程度变化，绝对值变大，可能是竹帘胶合板内部胶粘剂发生部分破坏导致。当载荷达到480 kN时，各点变化程度变化达到最大值，其中7点位置处变化最大，达到了3.63 mm，这可能是连接处的螺钉失效导致，7点位置处侧板与翼缘板发生分离，连接钉被拔出，侧板的束缚力减小，使得翼缘板侧向位移变化最大。

图5 翼缘板侧向位移与载荷的关系曲线Fig. 5 Curves of lateral displacement of fl ange and load

图6 翼缘板480 kN载荷时侧向位移Fig. 6 Lateral displacement of fl ange under load of 480 kN

2.2.2 侧板挠度分析

图7为侧板侧向位移与载荷曲线图，图8为侧板各点侧向位移轴向分布图。由图7、8可知，各店侧向位移总体趋势向上，变化程度较为平稳，并且中点侧向位移变化最大。当载荷达到480 kN时，侧向位移值达到最值，并且沿轴向呈抛物线形式分布，中心点挠度最大，两端最小，各点挠度值以6点处为对称点，两侧挠度值逐渐减小，载荷主要集中在轴向中心位置。同时此分布不仅表现在最大挠度值上，同时从各点挠度变化趋势线上也可以看出，中心点初期的变化最为明显，且两端在载荷增大后期挠度的变化较小。稍微有所不同的是支撑点的侧向位移为负值，这是因为压缩测试的特殊性造成的，双向刀绞的取直导致。

图7 侧板侧向位移与载荷的关系曲线Fig. 7 Curves of lateral displacement of lateral plate and load

图8 侧板480 kN载荷时侧向位移Fig. 8 Lateral displacement of lateral plate under load of 480 kN

2.3 竹柱中心的泊松比

通过应变片1、2、3、4测出的翼缘板纵横向应变值与侧板纵横向应变值，应变变化随压缩载荷增加的规律见图9、10。通过图9、10可得翼缘板与侧板泊松比，翼缘板V1=e’/e= 0.146 9，侧板V2=e’/e= 0.200。翼缘板与侧板均为竹胶合板，为同一种材料。对于同一种材料来说，泊松比应该相差不大。但由计算结果V1、V2可知，两者泊松比相差较大。可能的原因有两点，一是厚度，因为结构柱中所用的两种竹胶合板是纵横组坯，厚度不同则制备工艺不同，这些差异最终导致密度，结构，性能等力学性能差异，也可认为是略有不同的两种材料；二是本测试是在制品竹质建筑结构柱上得出的结果，翼缘板中部通过L型钢与腹板连接，在测试时L型钢与腹板对翼缘板的纵向应变有一定的抵消作用，在同样压力下，翼缘板产生的挠度较小，使得其纵向应变略小，通过2.2.2中的分析，侧板的横向挠度较大，这种变化促使中间部分产生更大的变形，故在横向上侧板应变会偏大，导致泊松比偏大。

图9 翼缘板应变与载荷曲线Fig. 9 Strain and load curves of fl ange plate

图10 侧板应变与载荷曲线Fig. 10 Strain and load curves of side plate

3 结 论

(1) 竹质建筑结构柱在轴向受压时，侧向位移最大值为3.63 mm，轴向压缩量最大值为5.656 mm，结构柱的破坏荷载为700 kN，抗压强度为33.26 MPa，总体侧向稳定性较高，轴向压缩量较小，抗压性能较好。

(2) 竹质架构柱翼缘板出现局部受压破坏而失去承载力，表明竹质架构柱承载力大小主要有翼缘板抗压强度决定，因此可通过改变翼缘板用竹帘胶合板的组坯方式，以增强翼缘板抗压强度，从而提高竹质建筑结构柱的承载能力。

(3) 竹质建筑结构柱翼缘板与侧板之间连接强度不高，两者之间所受剪力不能有效传递，从而引起两者变形程度不同，因此需要改善侧板与翼缘板之间的连接方式，提高竹质结构柱的抗压强度。

[1] Xiao Y, Inoue M, Paudel S K. Modern bamboo structures[C]//PPProceedings of theFirst International Conference on Modern Bamboo Structures. London: CRC Press, Taylor and Francis,2008.

[2] 李新功,胡 南,李 辉.竹席/竹碎料新型建筑模板制备工艺研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(1):113-116.

[3] 窦 营,余学军,岩松文代. 中国竹子资源的开发利用现状与发展对策[J].中国农业资源与区划,2011,32(5): 65-70.

[4] Jiang S X, Zhang Q S, Jiang S H. On structure, production, and market of bamboo-based panels in China[J]. Journal of Forestry Research, 2002, 13(2): 151-156．

[5] Jain S, Kumar R, Jindal U C. Mechanical behaviour of bamboo and bamboo composite[J].Journal of Materials Science, 1992,27(17): 4598-4604．

[6] 丁定安,孙晓东,李 阳,等. 原竹对剖联丝展开片材加工与竹木复合层积材制造技术[J].中南林业科技大学学报,2010,30(8): 100-103.

[7] 沈之容,倪 阳,胡志凌,等. “德中同行” 竹结构展馆的材料试验与结构分析[J].结构工程师,2009, 25(1): 51-54.

[8] 李 燕,王 静. 现代竹材技术及其在建筑设计中的应用[J].城市建设.2007, (8): 81-82.

[9] 李玉顺,沈煌莹,单 炜,等. 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.

[10] 吕 雁,程赫明,俞 斌. 竹胶合板矩形梁力学性能的研究[J].四川建筑科学研究,2006,32(6): 177-182.

[11] 蒋天元,李玉顺,单 炜,等. 薄壁C型钢-竹胶板组合箱型柱抗震性能试验[J].东北林业大学学报,2011,39(12):82-85.

Study on compression resistance of bamboo building structural column

LIU Xue1, YU Yun-shui1,2, ZHOU Wei-hong1
(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 building structural column was made up of bamboo plywood and L-shaped steel for supporting bamboo structural house, and was pressured by using the bi-directional knife hinges and the 500 tons static load and long column test machine. The pressure resistance of the column was measured and the compression and bending deformations under axial pressure were observed, and the effects of mechanical property, connection methods and damage form of bamboo curtain plywood on the mechanical performance of bamboo building structural column were analyzed. The experimental results indicate that the damaged load of the bamboo building structural column was 700 kN and its compressive strength was 33.26 MPa; the local compression failure occurred in the end of the bamboo building structural column; the screw fastening strength between the fl anges and the lateral plates of the column were not high,and the shearing force between the the fl anges and the lateral plate could not be passed effectively.

bamboo building structural column；Bambusa distegia；bamboo curtain plywood； compression resistance

S795.5；TS653

A

1673-923X(2013)01-0104-05

2012-10-10

湖南省科技重大专项（2011FJ1006）；国家林业公益性行业科研专项（201004005）

刘 学（1986-），男，河北安新人，硕士研究生，主要研究方向：竹质工程材料；电话：15073133784；

E-mail：booldmail@163.com

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；电话：0731-85623047；E-mail: yuyunshui@sina.com

[本文编校：欧阳钦]