喷涂复合材料-密布原竹组合楼板抗弯性能试验研究

郝际平，寇跃峰，田黎敏，赵秋利，何晗欣

(1. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2. 广州固保系统建筑材料有限公司，广东 广州 510070)

我国竹类资源丰富，竹子种类和竹林面积约占世界的1/4，竹材产量约占1/3，居世界之首[1]．竹材的物理性能优良，其抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度高出木材10%左右，比强度为钢材的3～4倍[2]．然而，原竹在材料匀质、几何规则及防腐防火等方面存在缺陷，目前多以集成重组的形式来利用[3-6]，限制了竹结构的发展．课题组[7,8]提出在原竹外包裹喷涂复合材料形成组合结构，以弥补其缺陷．该结构质轻、抗震性能好、绿色环保，而且有良好的保温、隔热及耐火等性能，可广泛应用于我国农村低层住宅建筑中，同时可以缓解目前钢材、木材等建筑材料短缺的局势，符合可持续发展的理念，具有深远的社会意义和经济效益．

轻质、环保是未来建筑发展的两大方向．其中楼板所占重量较大，有效控制其自重对降低整栋建筑物的重量十分关键[9]．原竹与喷涂材料组合在一起形成的喷涂复合材料-原竹组合楼板，可有效解决自重过重的问题．本文设计制作了一种喷涂复合材料-密布原竹组合楼板并对其抗弯性能进行了试验研究和分析．

1 试验方案

1.1 试件设计及制作

本次试验楼板模型长度为2 000 mm，宽度为690 mm，厚度为240 mm．将7根直径为90±2 mm原竹并排，通过顶部、底部直径为50±1 mm的横向原竹和螺栓连接成竹筏状骨架，如图1所示，原竹的截面尺寸见表1所示．然后在原竹上喷涂复合材料，最后在组合楼板的两侧涂抹10 mm厚抹面砂浆．

图1 楼板制作过程 (单位: mm)Fig.1 Working process of specimens (unit: mm)

原竹试件尺寸/mm外径D内径d壁厚t长度l纵向原竹9070102 000横向原竹50405690

1.2 材料

1.2.1 喷涂复合材料及抹面砂浆

喷涂复合材料由灰浆混合料、聚苯乙烯颗粒和矿物基黏合剂等组成，通过喷涂方式施工，快速初凝，具有一定强度，并兼有良好保温、隔声以及耐火等性能[7-9]．参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[10]中的试验方法，对喷涂复合材料及抹灰的抗压强度、弹性模量等性能参数进行测试，结果见表2．

表2 喷涂复合材料及墙体抹灰材性

1.2.2 竹材

本次试验所用竹材为浙江产4年生毛竹．在原竹立地处从不少于100株样竹中选取7株胸径约为90 mm和4株胸径约50 mm的成熟、无缺陷的样竹．每株从胸径以上截取满足长度和直径要求的竹材．按照JG/T199-2007《建筑用竹材物理力学性能试验方法》[11]要求对原竹进行力学物理性能测试，测试结果见表3.

表3 竹材材性数据

1.3 加载方案

本次试验在西安建筑科技大学结构工程实验室完成．试验采用在楼板三分点处集中加载的方式，见图2．试验首先预加载2 kN，然后进入正式加载阶段．试件屈服前采用荷载控制，分级加载，每级3 kN维持2 min；试件屈服后采用位移增量控制，每级3mm，直至试件破坏．

1.4 测试内容

试验位移计布置如图2所示，位移计D1～D5沿楼板长度方向布置，用来测量楼板在支座处、分配梁加载处及跨中处的竖向位移；位移计D6、D7布置在楼板跨中边侧，用于测量其竖向位移．

试件应变测点布置见图3，用于测量楼板关键位置处原竹的应变，其中，原竹上侧测点编号为奇数，下侧为偶数．

图2 位移计布置图 (单位: mm)Fig.2 Arrangement of displacement gauges (unit: mm)

图3 应变片布置图 (单位: mm)Fig.3 Arrangement of strain (unit: mm)

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

加载初期，挠度随荷载变化缓慢，整体工作性能较好．当荷载为7 kN(约5.6 kN/m2)时跨中挠度值为0.56 mm(l/3 214，l为楼板计算跨度1 800 mm)．荷载达到10 kN(约8 kN/m2)时，跨中挠度为0.81mm (l/2 222)．继续加载，楼板底面出现大量微小裂纹，楼板整体出现较明显的弯曲变形，如图4(a)．当跨中挠度达到GB50005-2003《木结构设计规范》[12]限值l/250(7.2 mm)时，荷载为29 kN．随后楼板底面裂缝宽度增加，如图4(b)．当加载到48 kN时，东西两端原竹与喷涂材料之间出现较明显滑移，如图4(c)所示．当荷载加到85 kN时，横向原竹劈裂，如图4(d)所示．加载至96 kN时，楼板南侧跨中发出两声巨响，两根原竹下侧断裂，如图4(e)和4(f)所示，荷载迅速下降．

2.2 应变分析

采用电阻应变片记录原竹上下侧的应变变化情况，结果如图5所示．试件在不同荷载作用阶段，原竹各测点的应变情况如图6所示，其中上侧曲线表示原竹顶部应变，下部曲线表示原竹底部应变．分析图5及图6可知，在试件破坏前，各测点应变基本呈现线性变化趋势．加载初始，原竹顶部应变与底部应变一致为拉，表明此时楼板整体性良好，原竹上侧喷涂材料承压；之后顶部应变开始为压，表明喷涂材料逐渐与原竹剥离，上侧原竹逐渐承压，楼板中性轴位于原竹水平中轴上侧；当荷载达到一定值时，喷涂材料大面积剥落，退出工作，此后压力基本由原竹上半部分承担，此时楼板中性轴下移到原竹中轴附近．

图4 楼板破坏情况Fig.4 Failure modes of the slab

图5 各测点P-ε曲线Fig.5 Load-strain curves on monitoring points

图6 不同荷载阶段作用下的P-ε曲线Fig.6 Load-strain curves under different load levels

2.3 挠度分析

参考文献[13]，试件在竖向荷载作用下，跨中挠度实际值按下列公式进行计算：

(1)

(2)

(3)

1-5号测点实测位移值如图7(a)所示，根据各级荷载下各测点的位移实测值，按式(1)～(3)计算楼板跨中实际挠度值，结果如图7(b)所示．可知，在加载初期楼板抗弯刚度较大，曲线呈线性快速上升，此时喷涂复合材料与原竹的组合效应较好．当荷载超过12 kN后，曲线变缓，主要是因为喷涂材料逐渐开裂剥离，与原竹协同作用变弱，楼板刚度降低．荷载达到峰值前，楼板跨中3号、6号和7号测点挠度值基本相同，说明试验实际加载较为成功，楼板未出现扭转．荷载达到极值后，由于南侧原竹断裂，楼板整体倾斜，楼板跨中挠曲由北到南(沿测点6→3→7方向)逐渐增大．荷载达到峰值(95 kN)时，楼板跨中挠度为46 mm(l/39)．

图8给出了试件在各级荷载作用下其挠曲变形的发展情况．图中横坐标为试件上各点距楼板跨中的距离；纵坐标为楼板挠度．其中95 kN为峰值荷载．由图可知，楼板在整个加载过程中竖向变形基本呈正弦半波的形式．由于组合楼板是由多根原竹组成，部分原竹断裂后，剩余原竹依仍能承担一定荷载．

图7 荷载-挠度曲线Fig.7 Load-displacement curves

图8 不同荷载阶段的挠度发展Fig.8 Development of displacement under different load levels

2.4 受弯承载力

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012[14]要求计算得楼面最不利荷载组合为6.5 kN/m2．试验组合楼板挠度达到木结构规范规定的的限值l/250(7.2 mm)时，荷载为29 kN(约23 kN/m2)，为最不利荷载组合的3.5倍，满足正常使用要求．可知在规范所允许的挠度限值内，喷涂复合材料-密布原竹组合楼板可作为建筑楼板使用．

3 结论

通过对喷涂复合材料-密布原竹组合楼板受弯试验的整理和分析，得到了荷载-挠度的关系曲线，荷载-应变的关系曲线以及受弯承载力情况，得出如下结论：

(1)试验结果表明竹材与喷涂材料组合效应良好，在正常使用荷载作用下挠度值在规范所允许的范围内，可以作为土木建筑楼板使用；

(2)喷涂复合材料-密布原竹龙骨组合楼板组合方式比较理想，大大提高了原竹楼板的抗弯刚度；

(3)从荷载-挠度曲线看出，该类组合楼板在其正常使用条件下的承载力应由其变形条件控制；

(4)材料在破坏前一直属于弹性范围，因此可不考虑塑性状态；

(5)楼板的变形能力极强，最终承载力也非常大，抗震性能非常突出．