基于大尺度重组竹试件各向轴压力学性能研究

李海涛，苏靖文，魏冬冬，张齐生，陈　国

(1.南京林业大学 土木工程学院, 江苏 南京 210037； 2.江西飞宇竹业集团有限公司, 江西 奉新 330700)



基于大尺度重组竹试件各向轴压力学性能研究

李海涛1，苏靖文1，魏冬冬2，张齐生1，陈国1

(1.南京林业大学 土木工程学院, 江苏 南京 210037； 2.江西飞宇竹业集团有限公司, 江西 奉新 330700)

摘要：对大尺度重组竹试件进行了3个方向轴心受压试验研究与分析，探讨了其破坏机理及所测参量之间的相互关系.竹重组材的受压破坏属于延性破坏，沿3个方向的破坏过程均经历弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和破坏阶段；但破坏阶段有所区别.试件各向受压的最终破坏形态较接近，均出现沿对角线方向的主裂缝.顺纹方向的实测抗压强度、弹性模量和泊松比值最大，离散性较大；横纹方向Ⅰ的抗压强度稍大于横纹方向Ⅱ的抗压强度，但其弹性模量和泊松比均比横纹方向Ⅱ对应的值要小.基于试验结果，给出了各个方向抗压强度、弹性模量和泊松比相互之间对应的关系.

关键词：竹材重组材；轴心抗压；破坏机理；抗压强度；弹性模量；泊松比

0引言

重组竹是将竹材[1-3]疏解成通长的、相互交联并保持纤维原有排列方式的疏松网状纤维束，再经干燥、施胶、组坯成型后热压而成的板状或其他形式的材料[4-6].这种材料强度高，材质均匀，长度、密度可根据需要任意控制，加工性能好，可满足建筑结构对材料物理力学性能的需求.不少学者[4-14]对竹重组材的制造、加工及基本力学性能展开了初步研究，但目前国内外没有重组竹相关试验标准及建筑设计标准，在建筑上的应用研究较少，大量基本理论还没建立，人类对这种材料的破坏机理和本构模型的了解很有限.现有研究多数基于小尺度试件.苏靖文等[4]对重组竹轴心受压柱进行了试验研究与分析.李海涛等[5]对重组竹偏心受压柱进行了试验研究与分析.张俊珍等[6]对重组竹横纹抗压强度和顺纹抗压强度进行了试验研究与分析，但所选择的尺寸截面仅为 20 mm×20 mm.重组竹应用到建筑领域的梁柱构件中，均以大尺度试件为主，而在大尺度下，重组竹的受压力学性能如何鲜有文献报道.试件尺寸越大，所含缺陷越多，其破坏机理同小尺寸有所区别，并且尺寸越大越能反映重组竹的整体力学性能.基于此，笔者对重组竹三个方向轴心受压力学性能展开了试验研究与分析，借以探讨重组竹的破坏机理.

1试验情况

1.1试件设计与制作

试验用毛竹产自江西奉新，竹重组材的生产厂家为“江西省飞宇竹业集团有限公司”.设计试件尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm，共18个，根据加载方向不同，将其分成3组，每组6个试件.3个加载方向见图1，其中1为顺纹方向(竹纤维束方向)，2为横纹方向Ⅰ(原竹筒弦向)，3为横纹方向Ⅱ(原竹筒径向).为了保证试件材性稳定，统一选取梢部原竹制作竹重组材短柱试件.实测的密度为990.2 kg/m3，实测含水率为7.8%.

图1　竹重组材试件

1.2试验加载制度

依据GB/T 50329—2012[15]进行加载制度设计和试验.试验现场图如图2.试件加载初期采用荷载控制，当荷载达到极限荷载大约80%左右，改为位移控制.试验从加载到破坏所用时间控制在5～10 min.试件就位后，首先进行几何对中，使加载的作用线和构件的几何中心对齐，以保证轴压，然后通过预加载来检测仪器是否工作正常并减少系统误差.

1.3测点布置

试件4个侧面中间位置均粘有两个应变片(见图2)，用以测量4个面中间点竖向和横向的应变变化.本次试验采用非接触式激光位移计(LDS，见图2)来测试件的轴向变形.试验采用的加载仪器为100 t电液伺服万能试验机，采集仪器为TDS530数据自动采集系统.

图2　试验现场图

2试验结果与分析

所有试件顶面标示有“*”.顺纹方向，以一个侧面(弦向)记为A面，围绕试件竖直方向轴线顺时针依次标上A、B、C、D.横纹方向Ⅰ和Ⅱ，均以一侧面(顺纹)记为A面，围绕试件竖直方向轴线顺时针依次标上A、B、C、D.主要试验结果见表1.

表1　试验结果

2.1顺纹方向

选取典型试件1-100-6描述其破坏过程如图3所示.在加载初期，材料基本处于弹性状态，试件表面无明显现象，四侧面中心的应变值基本相等；随着荷载的增加，试件由弹性阶段逐步进入弹塑性阶段，试件表现出一定的塑性变形，刚度有所降低，变形渐趋明显；当荷载增加至极限承载力附近时，可听到明显竹丝劈裂声，仔细观察发现试件D表面左下角和右上角距离侧面边大约25 mm范围内出现多条细微裂缝，B表面沿左上角右下角对角线方向也出现细微裂缝；当荷载稍过峰值后，D面两个部位的裂缝均向试件中部扩展，B面沿左上角右下角对角线方向裂缝增加，发生明显局部竹纤维弯曲和错位.继续加载，B面和D面沿另外一条对角线方向也开始出现明显裂缝及竹纤维弯曲和错位现象，并且A面和C面靠近顶面和底面的竹纤维均发生外凸.从加载仪器上取下试件，发现顶面和底面均出现开裂.从图3试件1-100-6的最终破坏图可看出，试件主要发生以局部纤维弯曲为主的破坏，并且套箍效应沿着A面、C面方向表现较明显.

图3　顺纹受压典型破坏形态(1-100-6)

2.2横纹方向Ⅰ

选取典型试件2-100-1描述其破坏过程如图4所示.加载初期，同顺纹方向受压类似，材料基本处于弹性状态，试件表面无任何明显现象；随着荷载增加，试件由弹性阶段逐步进入弹塑性阶段，试件表现出一定的塑性变形，刚度有所降低，变形渐趋明显；当荷载增加至极限承载力90%左右时，试件D面距底边30 mm左右位置开始出现细微裂缝，A面右上角和C面左上角也出现细微裂缝；当荷载增加至极限承载力附近时，A面和C面沿对角线出现的裂缝开始增大并向侧面中心发展，从D面可看到明显开裂；继续加载，D面首先出现裂缝的地方，竹纤维向外翘出，B面下部分距底边大约20～30 mm以内出现明显开裂，A面左上角、左下角及右下角对角线附近均出现明显开裂，并向试件侧面中心发展.最后，试件发生过大轴向变形(大于15 mm)的情况下停止加载.从加载仪器上取下试件，发现顶面和底面也出现明显开裂.从试件2-100-1的最终破坏图可以看出，顶部和底部的加载板对试件B面、D面方向有明显的套箍效应.

图4　横纹受压Ⅰ典型破坏形态(2-100-1)

2.3横纹方向Ⅱ

选取典型试件3-100-4描述如图5所示.加载初期，同前述类似，材料基本处于弹性状态；随着荷载的增加，试件由弹性阶段进入弹塑性阶段，试件表现出一定的塑性变形，刚度有所降低，变形渐趋明显；当荷载增加至极限承载力90%左右时，A面左上角和C面右上角附近开始出现细微裂缝；当荷载增加至极限承载力附近时，A面左上角和C面右上角沿对角线出现的裂缝开始增大并向侧面中心发展，同时A面右下角和C面左下角也出现明显裂缝，D面顶边附近可看到明显开裂；继续加载，D面顶边部分竹纤维向外翘出，A面左下角和C面右下角附近也出现明显裂缝，并且A面和C面对角线方向的裂缝均向试件侧面中心发展.最后，试件发生过大轴向变形(大于15 mm)的情况下停止加载.从加载仪器上取下试件，发现顶面和底面与B面和D面交接的边附近也出现明显开裂.从试件3-100-4的最终破坏图可看出，顶部和底部的加载板对试件B面、D面方向有明显的套箍效应.

图5　横纹受压Ⅱ典型破坏形态(3-100-4)

3综合分析

3.1抗压强度对比

重组竹顺纹方向、横纹方向Ⅰ、横纹方向Ⅱ的抗压强度平均值分别为65.0、24.9、21.3 MPa，标准偏差分别为3.87、1.55、1.34 MPa，变异系数分别为0.059 6、0.062 4、0.062 9，具有95%保证率的强度特征值为58.7、22.3、19.1 MPa.很明显，竹材顺纹方向抗压强度最大，但是同另外两个方向相比，其试验结果的离散性较大；横纹方向Ⅰ的抗压强度比横纹方向Ⅱ的抗压强度要大.基于试验结果3个方向的抗压强度标准值关系式可以用式(1)、式(2)和式(3)表示，其中fsck、fhⅠck、fhⅡck分别为顺纹、横纹方向Ⅰ、横纹方向Ⅱ对应的抗压强度标准值.

fsck=2.63fhⅠck,

(1)

fsck=3.07fhⅡck,

(2)

fhⅡck=0.857fhⅠck.

(3)

3.2弹性模量对比

重组竹顺纹方向、横纹方向Ⅰ、横纹方向Ⅱ的弹性模量平均值分别为11 717.5、845.1、1 615.6 MPa，标准偏差分别为869.2、81.0、97.9 MPa，变异系数分别为0.074 2、0.095 9、0.060 6，其具有95%保证率的强度特征值为10 287.7、711.9、1 454.5 MPa.同抗压强度类似，顺纹方向弹模最大并且离散性较大；同抗压强度不同的是，横纹方向Ⅱ的弹模比横纹方向Ⅰ的弹模要大.基于试验结果，3个方向的弹性模量标准值关系式可以用式(4)、式(5)和式(6)表示，其中Esck、EhⅠck、EhⅡck分别为顺纹、横纹Ⅰ、横纹Ⅱ对应的弹模标准值.

Esck=14.45EhⅠck,

(4)

Esck=7.07fhⅡck,

(5)

EhⅡck=2.04fhⅠck.

(6)

3.3A面(C面)泊松比对比

重组竹顺纹、横纹Ⅰ、横纹Ⅱ的A面(C面)泊松比平均值分别为0.313、0.139、0.232，标准偏差分别为0.079、0.028、0.067，变异系数分别为0.253、0.203、0.289，具有95%保证率的强度特征值为0.182、0.092、0.122.同弹模类似，顺纹A面(C面)泊松比最大并且具有较大离散性；横纹Ⅱ的A面(C面)泊松比比横纹Ⅰ的A面(C面)泊松比要大，但离散性也较大.基于试验结果，3个方向的A面(C面)泊松比标准值关系式可以用式(7)、式(8)和式(9)表示，其中vsckAC、vhⅠckAC、vhⅡckAC分别为顺纹、横纹Ⅰ、横纹Ⅱ对应的A面(C面)泊松比标准值.

vsckAC=1.98vhⅠckAC,

(7)

vsckAC=1.49vhⅡckAC,

(8)

vhⅡckAC=1.33vhⅠckAC.

(9)

3.4B面(D面)泊松比对比

重组竹顺纹方向、横纹方向Ⅰ、横纹方向Ⅱ的B面(D面)泊松比平均值分别为0.356、0.031、0.058，标准偏差分别为0.117、0.007 8、0.009 4，变异系数分别为0.328、0.253、0.163，其具有95%保证率的强度特征值为0.164、0.018、0.042.同A面(C面)泊松比类似，顺纹方向B面(D面)泊松比最大并且具有较大离散性；横纹方向Ⅱ的B面(D面)泊松比比横纹方向Ⅰ的B面(D面)泊松比要大.基于试验结果，3个方向的B面(D面)泊松比标准值关系式可以用式式(10)、式(11)和式(12)表示，其中vsckBD、vhⅠckBD、vhⅡckBD分别为顺纹、横纹方向Ⅰ、横纹方向Ⅱ对应的B面(D面)泊松比标准值.

vsckBD=9.11vhⅠckBD,

(10)

vsckBD=3.9vhⅡckBD,

(11)

vhⅡckBD=1.33vhⅠckBD.

(12)

所有试件3个方向的抗压强度、弹性模量、泊松比的对比图见图6～图9.由表1及图6～图9可明显看出，3个方向相比，不管是抗压强度，还是弹性模量和泊松比，均是顺纹方向的实测值最大，但是顺纹方向数据离散性较大；两个横纹方向相比，横纹方向Ⅰ的抗压强度稍大于横纹方向Ⅱ的抗压强度，但是横纹方向Ⅱ的弹性模量和泊松比均比横纹方向Ⅰ对应的值要大.

图6　抗压强度比较

图7　弹性模量比较

图8　A、C面泊松比对比

图9　B、D面泊松比对比

3.5典型荷载轴向变形曲线对比

典型荷载—位移曲线对比见图10.由图10可看出，沿3个方向的破坏过程类似，均经历弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和破坏阶段；但是对于破坏阶段，顺纹方向受压破坏和两横纹方向受压破坏有区别.顺纹方向的破坏阶段可以分为荷载下降阶段、荷载残余阶段，荷载轴向变形曲线在变形为4 mm左右进入下降段；两横纹方向的破坏阶段荷载虽有下降，但较少，且随着加载的继续，变形增加明显，荷载降低很少或基本保持不变.两横纹方向的试件，一直到加载结束都没出现明显下降段.另外，顺纹荷载轴向变形曲线弹性阶段的斜率最大，横纹Ⅱ对应的斜率其次，横纹Ⅰ对应的斜率最小；同样荷载增量下，顺纹方向产生的变形最小，横纹Ⅱ其次，横纹Ⅰ最大，这说明顺纹方向的弹性模量最大，横纹Ⅱ其次，横纹Ⅰ最小，同实测结果保持一致.

图10　典型荷载-位移曲线对比

4结论

(1)沿3个方向的受压破坏过程均经历弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段和破坏阶段.顺纹方向受压破坏阶段还可分为荷载下降阶段、荷载残余阶段；对于两个横纹方向，破坏阶段荷载虽均有下降，但下降较少，且随着加载的继续，变形增加明显，荷载降低很少或基本保持不变.

(2)整体上讲，沿着3个方向加载，试件的最终破坏形态比较接近，均为强度破坏，都出现沿对角线方向的主裂缝.

(3)顺纹方向的实测抗压强度、弹性模量和泊松比值最大，但是顺纹方向数据的离散性较大；横纹方向Ⅰ的抗压强度稍大于横纹方向Ⅱ的抗压强度，但是横纹方向Ⅱ的弹性模量和泊松比均比横纹方向Ⅰ对应的值要大.

(4)基于试验结果，给出了各个方向抗压强度、弹性模量和泊松比相互之间对应的关系.

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Comparison Study on Parallel Bamboo Strand Lumber under Axial Compression for Different Directions Based on the Large Scale

LI Haitao1, SU Jingwen1, WEI Dongdong2, ZHANG Qisheng1, CHEN Guo1

(1.School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2.Jianxi Feiyu Bamboo Industry Group co., LTD, Fengxin 330700, China)

Abstract:In order to investigate the axial compression damage mechanism and the relationship between the test parameters for three directions, the experimental study on parallel bamboo strand lumber (PBSL) based on the large scale was conducted in this paper. The axial compressive failure for the PBSL belongs to the ductile damage. Except for the different damage stage, the whole failure process for specimens along three directions are similar with each other and can be divided into four stages: elastic stage, elastic-plastic stage, plastic stage and failure stage. The final failure mode for the three directions are similar with each other which is the main crack appeared along the diagonal. With large discreteness, the compressive strength, modulus of elasticity and Poisson’s ratio for the parallel to grain direction are biggest among three directions. The compressive strength for the perpendicular to grain direction Ⅰ is bigger than that for Ⅱwhile the modulus of elasticity and Poisson's ratio for direction Ⅰ is smaller than that for Ⅱ. Based on the test analysis of the results, the relationship between the compressive strength, modulus of elasticity and Poisson’s ratio for three main directions were proposed for the PBSL under axial compression.

Key words:PBSL; axial compression; damage mechanism; compressive strength; modulus of elasticity; Poisson’s ratio

中图分类号：TU398

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201412053

作者简介:李海涛(1982—)，男，河南临颍人，南京林业大学副教授，博士后，主要从事竹木结构.混凝土结构、复合材料结构等相关研究工作，E-mail：lhaitao1982@126.com．

基金项目：教育部博士点基金资助项目(20123204120012)；住建部科技资助项目(2014k4023)；江苏省住建厅科技项目(JS2012ZD34)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

收稿日期:2014-12-29；

修订日期：2015-04-19

文章编号:1671-6833(2016)02-0067-06

引用本文：李海涛，苏靖文，魏冬冬，等.基于大尺度试件重组竹各向轴压力学性能研究[J].郑州大学学报(工学版)，2016,37(2):67-72．