竹筋实木组合空心柱的制作与力学性能试验

沈 搏，陈 强，谭 聪，俞 静，包燕敏

(湖南城市学院土木工程国家级实验教学示范中心，湖南 益阳 413000)

0 前 言

随着时代的发展，人们越来越重视对于环境的保护、提倡低碳环保建筑，于是专家学者们开始寻找新型的绿色建材。徐济德[1]的研究表明我国具有丰富的竹材、木材资源。竹材具有抗拉强度高、生长周期快、再生能力强、造价低等优点，我国对于竹子材料物理力学性能的研究比较多，但是对竹木组合结构的研究还很少。原竹结构柱抗压强度低，不适合作为承重构件；实木柱整体强度偏低，木质结构柱采用实心柱，柱重且隔音、隔热效果差；原木柱用材规格太高，原生态长和粗的原木取材难、价格昂贵，现有原木难以满足工程要求。

竹木组合结构能同时发挥竹材的强抗拉性能和木材的抗压性能。本实验通过将竹筋与组合柱胶合，组合成竹筋实木组合空心柱。制作过程主要包括木柱材料的选材、材料的切割加工、空心柱的拼接、干燥和保养、毛竹加工、拼接空心柱、绑扎竹筋。通过无醛化学胶结料，将不同长度的实木块胶合成实木空心圆筒，将实木空心圆柱毛坯表面打磨处理，再在打磨处理实木空心圆柱表面涂胶缠绕竹筋材料。

竹筋实木组合空心柱充分利用原生态原木与竹筋，创造出一种自重轻，抗震性能好、节能、绿色、环保、隔音、隔热、经济的建筑材料。能有效降低人们对化学石油材料的过分依赖，实现了零排放，既有利于改善人的生活环境，又促进地区经济的良性发展，能带来良好的社会和经济效益。

1 研究现状

国内外学者围绕此问题进行了各式各样的试验研究与大胆设想：郎建珂、陈强、王解军等[2]制作了竹-短木组合梁并进行试验研究；刘圣贤、陈强、刘孙昆、时新涛、张慧、范军、谭聪等[3]对竹筋实木组合板进行了设计制作和试验；沈玉蓉[4]对竹(木)梁、柱做了非弹性分析；周华樟、祝恩淳、周广春等[5]仔细研究了胶合木曲梁横纹应力情况，并对应县木塔作了精细化有限元分析的研究；孙玲玲[6]进行了重组竹顺纹单轴应力-应变关系研究，明确重组竹材具有优越的抗拉性能。

王倩[7]进行了落叶松胶合木柱力学性能试验研究，选取分布广泛的东北落叶松为原材料、间苯二酚为胶黏剂制造胶合木构件,进行横纹抗压、顺纹抗压、分级循环加载试验,研究其抗压及延性性能,并推导构件内应力分布公式,最后应用ANSYS有限元建模分析，得出了横纹抗压与顺纹抗压均属塑性破坏；横纹抗压塑性阶段较长且应力几乎无变化,顺纹抗压塑性阶段较短且应力突然变小；横纹分析抗压横纹抗压极限承载力明显低于顺纹抗压。应用ANSYS有限元建模分析得出轴压时顺纹方向应力、应变分布均匀,横纹方向从形心向边界逐渐增加。

2 试件材料及其制作

2.1 材料准备

1)竹材：选用由湖南省益阳市生产的毛竹，由4～6年生的毛竹经过加工，规格为nmm×10 mm×1 mm(n根据绑扎要求确定，此次试验n为1)，密度为0.800 g/cm3，含水率为12%，竹条顺纹轴拉强度平均值分别为185.14 MPa，竹青条竹黄条材料强度见图1，由实验易得竹青材料强度为竹黄的1.76倍。

2)木材：选用樟子松，截面尺寸根据空心模具大小加工能放进模具为标准系列实木方，长度10～100 cm，其密度为432 kg/m3，含水率12%，弹性模量6622 MPa。

3)胶结材料：采用无醛木工胶，顶力无醛木工胶800特效型拼接胶。

2.2 尺寸设计

根据工程需要，满足安全、经济、适宜、美观的前提下选择合适空心柱尺寸，本文采用的是竹筋实木组合空心柱尺寸见图2。

图1 竹青、竹黄强度对比

图2 空心木柱尺寸

2.3 制作过程

1)毛竹加工成顺着纤维方向排列，做成厚1 mm的长条，长度按工程要求设置，宽度10 mm竹筋材。

2)根据工程柱结构大小，双层空心模具要求，将零碎实木方放入模具的夹层中，利用胶结料指接胶合成标准长度实木空心圆筒，双层空心模具为一定标准长度的两种规格，直径大小按满足工程要求设置。

3)将拆模后胶结形成一定长度、厚度的实木空心圆筒，选择相同大小的实木空心圆筒拼接成一定长度的实木空心圆柱毛坯，拼接过程见图3。

图3 拼接过程实物图

4)将实木空心圆柱毛坯在加工机械上进行表面打磨处理，再以打磨处理后的实木空心圆柱为母胎固定在旋转加工机械上，再顺时和逆时两个方向上螺旋缠绕竹筋，利用胶结料形成竹筋实木组合空心圆柱。如图4。

图4 最终成品实物图

3 试验概况

3.1 实验设备与装置

本次短柱试验加载设备选用湖南城市学院土木工程国家级实验教学示范中心液压机数显压力试验机YES-5000，应变数据采用程控静态电阻应变仪 XL2001C采集，位移数据通过精度0.01 mm数显百分表采集。

3.2 电阻应变片粘贴位置

轴心压杆侧向挠度的测定,在空心柱纵向中心位置按照四等分的位置A、B、C、D放置百分表。

纵向应变和横向应变的测定，在空心柱纵向1/4、1/2、3/4处按照圆周6等分，粘贴纵向和横向应变片，纵向应变片应该在空心柱的轴线上面，横向应变片要在空心柱的横截面上。应变片的位置见图5。

图5 应变片以及百分表放置位置示意

3.3 加 载

根据《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012)轴心压杆试验。在正式加载之前,应对安装好的试验柱进行预加F1,预加荷载值F1可取估计破坏荷载的1/15～1/20，用静态电阻应变仪测应变值ε,再加荷载到F1,后测相应的应变值ε1,然后卸荷到F1,反复进行5次,随即以均匀的速度逐级加载至试件破坏,每级荷载为ΔF,并读出各级荷载下的应变值与侧向形变值。

本实验预估破坏荷载为1 100 kN，正式加载前对试件先进行15 kN的预加载,反复进行5次,观察每次测试的应变值是否均匀、稳定。完成预加载后卸载至0后以0.2 mm/min的速度匀速加载至试件破坏。每加载20 kN记录一下静态应变仪相应受力状态下应变值和百分表的读数。在试验过程中,当试验机加载到最大荷载后回退到极限荷载的85%或在此之前试件材料断裂，即认为试件丧失承载能力而达到破坏。实验加载过程见图6。

图6 加载过程图

4 试验对比

由试验可得，实木组合木柱和竹筋实木组合木柱的破坏形态主要是整体压屈破坏，在荷载达到极限荷载约85%时，都有着侧向位移迅速增大的情况出现。实木组合木柱的抗压承载力最低为940 kN，最高为1 100 kN。

试件样本标准差：

样本平均标准差：

试验变异系数：

极限荷载强度：

实木组合柱与竹筋实木组合柱抗压荷载见图7。

图7 实组合木柱与竹筋实木组合木柱荷载对比

竹筋实木组合木柱的最低值为1 097 kN，最高值为1 140 kN，由上式得试件样本标准差为24.00，样本平均标准差为13.86，试验变异系数为0.02，极限荷载强度为1 112.33 kN。

将实木组合木柱和竹筋实木组合木柱的极限荷载进行对比，能够明显地看到加入竹筋的组合木柱较实木组合木柱在极限荷载方面有了较大的提升，极限承载力提升了约11.6%，可以认为此次试验满足了要求，也验证了竹筋实木组合木柱的制作方法能够明显地提升木柱的承载力。

5 试验结论

1)竹筋和木材粘贴在一起能够共同工作，竹木组合材料具有良好的复合力学效应,能够充分发挥竹材抗拉性能和木材厚实和承重性能。

2)竹筋实木组合空心柱具有优良的承载能力，与实木组合空心柱原木柱比较，承载力提高了5%。

3)对验算木柱结构的承载能力具有指导意义，可为实际生产提供借鉴意义。

6 结 语

本文提供了利用小木柱进行竹筋实木组合空心柱设计，其不仅满足承载力要求，同时外形美丽大方，达到了结构与造型合理组合的目的。解决了大型实木用料不足和尺寸小的木材不能用作木结构建筑中的结构柱的问题，对现实生活中木结构生产具有一定借鉴意义。