圆竹的力学性能及影响因素研究

于金光，郝际平，田黎敏，邓光睿

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

力学性能是衡量结构用材质量的重要指标，也是结构设计的重要依据.竹材是一种重要的绿色资源，具有质量轻、强度高、抗震性能好、生长周期短等优点，在建筑行业的利用越来越广泛.而毛竹是我国最主要的建筑用竹种，深入了解毛竹的力学性能，对充分合理利用毛竹建造结构具有十分深远的意义.

现代竹结构中，使用毛竹圆竹(以下简称：圆竹)作为柱、梁等承重结构构件，竹材力学性能的研究多以毛竹竹片为研究对象，探讨了竹龄、取材部位、种源等对竹材物理力学性能的影响[1-5]；关于圆竹材性也开展了相关研究，张丹等[6]对于圆竹用于建筑领域的抗弯、抗剪和抗压等力学性能进行了相关研究，分析了圆竹在竹龄、取材部位的力学性能变异规律.文献[7-9]试验获得了单圆竹轴心受压构件的稳定承载力.关于竹节对竹材力学性能的影响研究较少，仅邵卓平[10]等针对毛竹竹节对竹片强度的影响进行了研究.在圆竹构件中，考虑竹节影响的相关研究成果较少，《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JG/T199-2007)[11]中没有相关的测试标准，因此有必要开展圆竹力学性能的试验研究，探讨竹节对圆竹力学性能的影响.同时，圆竹在实际应用中径向承受不同程度的载荷，常出现径向压溃的现象.因此本文开展了圆竹抗压、环刚度和抗弯性能的试验研究，探究了取材单元、竹节和含水率等对上述主要力学性能的影响，以期为圆竹的实际应用提供参考.

1 试验材料

试验研究对象为井冈山地区毛竹，竹龄为4～6 a并且取材位置一致.从不少于100株样竹中，分散取12株成熟、无缺陷、胸径在100 mm以上的有代表性的样竹.

2 圆竹抗压性能研究

2.1 试件制备与加载制度

根据ISO 22157-1：2004(E)[12]和ISO 22157-2：2004(E)[13]的相关规定，圆竹顺纹抗压试件尺寸规格为：Hmm×dmm×tmm，其中H为圆竹长度，取200mm、d圆竹直径、t为竹壁厚度.试件编号原则为：YY-圆竹有竹节试件；YW-圆竹无竹节试件；YH-圆竹无竹节低含水率试件，共计3组，每组5个试件，编号1～5.

试样的端面应与试件长度方向垂直且平整，最大偏差为0.2 mm.测量试件每个端面的垂直方向的两个外径和四个相对位置的壁厚，分别取其平均值计算试样的横截面面积.试验装置与竹片试件加载装置相同，试验以均匀速度加载，按每分钟80 N/mm2均匀速度加荷，直至试样破坏.

2.2 试验结果

节间材和节部材圆竹的顺纹抗压强度试验值如表1和表2，竹节对圆竹顺纹抗压强度的增强较为明显，节部材的顺纹抗压强度较节间材提高约6%，节间材和节部材的最终典型破坏如图1所示.

图1 圆竹受压破坏形态Fig.1 The compressive failure of bamboo culms

试验结束后，测定试件含水率，除了含水率影响对比分析，所有强度结果按JG/T199-2007[11]转化含水率为12%时的强度，以消除含水率差异对试验的影响，计算方法如式(1)和式(2)，精确至0.1N/mm2：

fc,12=Kfc,wfc,w

(1)

(2)

式中：fc,12为含水率为12%时抗压强度，N/mm2；Kfc,w为竹材抗压强度含水率修正系数；w为试样含水率，%.

表1 圆竹有竹节顺纹抗压强度试验结果Tab.1 Test result of compressive strength of bamboo culms with node

表2 圆竹无竹节顺纹抗压强度试验结果Tab.2 Test result of compressive strength of bamboo culms without node

2.3 含水率的影响

表1和表2中试件含水率在38%～78%之间，含水率变化范围为40%，试件抗压强度随含水率增加由减小趋势，为进一步验证含水率对圆竹抗压强度的影响，增加了节间材低含水率(11%～20%)试件，其抗压强度试验结果见表3.表3试验试件含水率在38%～63%之间，圆竹抗压强度平均值为45.1 N/mm2，表3试件含水率在11%～20%之间，圆竹抗压强度平均值为53.83 N/mm2，提高了近20%，含水率的降低将显提高圆竹的抗压强度.通过对比表2和表3，可以看出当换算成含水率12%时，两者抗压强度平均值基本相等.

表3 圆竹无竹节低含水率抗压强度试验结果Tab.3 Test result of compressive strength of bamboo culms without node and low moisture content

2.4 试件单元的影响

为了研究取材单元的影响，制作了竹片单元作为对比试件，同时研究了基于竹片试件的各抗压性能的差异.竹片抗压试件几何尺寸为：15 mm×55 mm×tmm，t为竹片壁厚.试件尺寸如图2所示.径向横纹抗压试件内外两侧应做打磨处理，以排除竹片弧度的影响.试件编号原则为：Y-顺纹抗压强度试件；XY-弦向横纹抗压强度试件；JY-径向横纹抗压强度试件，共计3组，每组5个试件，编号1～5.

图2 竹片抗压单元试件尺寸Fig.2 The sample size of compressive Strength of bamboo sheets

试验开始时，将试件放于抗压试验机的正中间，调节试验设备，使得试验设备与试件接触密实.依据JG/T199-2007的规定要求，以均匀速度加载，按每分钟80 N/mm2均匀速度加荷，直至试样破坏.

图3 竹片顺纹抗压强度试验装置Fig.3 Test equipment for determination of the compressive strength of bamboo sheets

试验结果及分析：

以竹片为单元的毛竹各组试件的抗压强度力学性能测试结果如表4所示.

表4 竹片抗压强度Tab.4 Compressive strength of bamboo sheets

竹片的顺纹受压破坏如图4(b)所示，破坏过程为竹黄部位先出现剪切破坏，随后竹青部位出现弯曲变形，导致竹青部位纤维撕裂出现错层现象.竹片的弦向受压破坏如图4(c)所示，破坏过程为竹黄部分先出现挤压破坏，随着荷载的增加初始局部破坏裂纹不断扩大，从竹黄部位向竹青部位斜向延伸，最终整个试件出现剪切破坏.竹片的径向受压破坏如图4(d)所示，破坏过程为试件厚度方向压缩变形，竹材纤维间出现错层，竹黄部位的两端出现局部破坏.以竹片为单元的毛竹各类受压破坏均表现为竹黄部位破坏较为严重，主要原因在于竹材截面在径向上维管束分布不均匀，竹青至竹黄维管束呈明显的阶梯状，靠近竹黄处维管束稀疏，承载能力弱，容易被压溃.竹片的顺纹抗压强度为58.40 N/mm2，竹片的弦向抗压强度为21.83 N/mm2，竹片的径向抗压强度为14.55 N/mm2，竹材顺纹抗压强度约为弦向横纹抗压强度的2.7倍，约为径向横纹抗压强度的4.0倍.

图4 竹片受压破坏形态Fig.4 The compressive failure of bamboo sheets

竹片和圆竹的顺纹抗压强度试验值对比结果如表5.

表5 竹片与圆竹试样抗压强度结果比较Tab.5 The compressive strength between bamboo culms and bamboo sheets

由表5可见，不同的测试单元对毛竹顺纹抗压强度测试结果有一定影响，但不显著.以竹片为单元的毛竹纵向抗压强度略大于圆竹纵向抗压强度.主要原因在于竹片试件尺寸较小，测试时发生单纯的顺纹受压破坏，而圆竹试件不仅发生受压破坏，竹壁还发生了弯曲破坏，综合体现了材料和中空复合结构的破坏特征，因此测得圆竹的纵向抗压强度略小于竹片的纵向抗压强度.

3 圆竹的径向环刚度

3.1 试件制备与加载制度

环刚度是管状材料抗外压负载能力的综合参数.按GB/T 9647-2003的试验方法，将规定的管材试样在两个平行板间垂直压缩，使管材直径方向变形达到试件内径的3%.根据试验测定造成3%变形的力F计算环刚度，计算公式如式(3).

(3)

式中：F为相对于管状材料内径3%变形时的力值，kN；L为试样长度，m；Y为变形量，m；d为内径，m.

试件编号原则为：YH-有竹节环刚度试件；WH-无竹节环刚度试件，共计2组，每组5个试件，编号1～5.

3.2 圆竹径向环刚度试验过程及现象

无竹节环刚度试件首先会在与两加压面平行的直径方向出现裂缝，裂缝首先出现在竹青一侧，如图5a，随着荷载增加，裂缝会逐步向竹黄一侧扩散，直至贯通整个竹壁，试件破坏.有竹节试验试件，首先节隔中部垂直于加载面的方向出现竖向裂缝，逐渐扩展到竹黄至竹青方向，同时，类似无竹节试件，在与两加压面平行的直径方向出现裂缝，裂缝先出现在竹青一侧逐步向竹黄一侧扩散，直至贯通整个竹壁，试件破坏如图5(b).

图5 环刚度试验现象Fig.5 The radical compressive failure of bamboo culms

3.3 试验结果分析

节间材和节部材圆竹的径向环刚度试验值如表6和表7，竹节对其影响的对比结果如表8.

表6 圆竹无竹节环刚度试验结果Tab.6 The radial compression of bamboo-culm without node

表7 圆竹有竹节环刚度试验结果Tab.7 The radial compression of bamboo-culm with node

表8 圆竹试样环刚度结果比较Tab.8 The radial compression of bamboo-culm with node or without node

由表可见，圆竹有竹节环刚度远大于圆竹无竹节环刚度，圆竹有竹节环刚度平均值超出圆竹无竹节环刚度平均值达90%，这主要是因为竹节对圆竹有紧箍作用，限制了其横向变形，从而使得有竹节环刚度远远大于无竹节的环刚度.

4 圆竹抗弯性能强度

4.1 试件制备与加载制度

圆竹抗弯试验采用四点加载方式，位于试样跨中设置竖向位移计用来测量试样挠度.在试验进行前，首先确定加载梁、支座以及圆竹处于同一竖直面内.为防止圆竹在试验时发生滚动现象，同时避免文献[6]圆竹抗弯试验的中空薄壁圆竹被压溃，制作如图6所示支撑座，加载支座和支撑座应尽量作用在竹节处.

图6 圆竹抗弯加载装置及试件Fig.6 Test equipment for determination of the bending strength of bamboo culms

试件编号原则为：KW-圆竹抗弯试件，试件含水率从顶部到底部为40%～60%； KWH-圆竹抗弯低含水率试件，试件含水率从顶部到底部为10%～30%，共计2组，每组3个试件，编号1～3.

4.2 试验结果分析

在试验开始时，以匀速进行加载，KW和KWH两组试件分别荷载加至约10 kN和7 kN时，达到试验设备最大量程150 mm，跨中挠度达试件跨度的1/20，试验结束，试件变形图如图7所示.由此可见，在实际工程中，当单圆竹作为受弯构件使用时，当采取竹壁压溃措施时，可根据正常使用极限状态要求控制设计.

图7 圆竹抗弯强度变形Fig.7 The bending failure of bamboo culms

4.3 影响因素分析

4.3.1 含水率的影响

KWH组试件含水率从顶部到底部为10%～30%，相比KW组的60%已有大幅降低，但最终试件未破坏，但圆竹抗弯强度随着竹材含水率的降低而降低，在相同挠度的情况下圆竹抗弯承载力下降约20%.

4.3.2 试件单元的影响

抗弯强度的测试采用两点对称加荷，两个加荷点距离支座各50 mm，加荷点间距 .按每分钟150 N/mm2的均速加荷直至试样破坏，记录破坏荷载.试样的抗弯强度的计算公式如式(4)所示：

(4)

式中：fm,w为含水率为w时顺纹抗弯强度，N/mm2；Pmax破坏荷载，N；h为试样高度，mm；t为试样厚度，mm.

4.3.3 抗弯强度试验研究

抗弯试件加载及破坏形式如图8所示.破坏形式为纤维的纵向撕裂和横向剪切破坏.随着荷载增加，试样的弯曲变形逐渐增大，当弯曲变形达到极限变形时，顺纹方向竹黄部分首先出现裂纹，随着荷载的增加，裂纹不断增大并且沿径向逐步向竹青部分延伸，最终导致整个试样撕裂破坏.

图8 竹片抗弯强度试验现象Fig.8 The bending failure of bamboo sheets

试验结果及分析对比如表9所示，以竹片为试验单元的毛竹平均抗弯强度为108.60 N/mm2.

由于圆竹抗弯强度试验未能获得最终破坏荷载，故未能量化取材单元对抗弯强度的影响.单圆竹作为受弯构件使用时，具备很好的变形能力，可根据正常使用极限状态要求控制设计.

表9 竹片抗弯强度试验结果Tab.9 Bending strength of bamboo sheets

5 结论

(1)对比分析毛竹的各项抗压强度，以竹片为试验单元，其顺纹抗压强度最高，约为弦向横纹抗压强度的2.7倍，径向横纹抗压强度4.0倍；对比取材单元的影响，圆竹由于中空结构的影响，发生的为轴压和竹壁弯曲的联合破坏，承载力较竹片试样低，实际设计时应予以注意.

(2)竹节的存在有利于圆竹环刚度和抗压强度.竹节对圆竹的紧箍作用，限制了其横向变形，有竹节圆竹环刚度远大于无竹节圆竹环刚度，平均值超出90%左右；有竹节圆竹顺纹抗压强度较无竹节圆竹试件提高6.3%.

(3)含水率对圆竹抗压强度和抗弯强度有较大影响，但其影响趋势不同.圆竹抗压强度随着竹材的含水率降低而增加，含水率降低20%～40%，抗压强度提高约20%，随着含水率的降低，在相同挠度情况下圆竹抗弯强度下降约20%.

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