侧压竹集成材梁长期受弯性能试验研究

袁 平，雷 婧，陈伯望

(中南林业科技大学 土木工程学院，长沙410004)

我国的竹材资源丰富，素有“竹子王国”的美誉[1]；竹子的生长能力强，有可再生特性，且再生周期短[2]，一般成竹的生长周期是3～4 a，远远短于木材的生长周期[3]；同时，它还具有良好的力学性能，其顺纹抗拉强度高于木材，且约为钢材的一半，强重比甚至高于普通木材、铸铁、铝合金和结构钢等材料[4]﹒因此，竹材是一种较为理想的绿色建筑材料﹒但原竹材料的尺寸较小、刚度较低等固有缺点在很大程度上制约了它的推广应用[1]﹒随着竹材工业的发展，工程竹的生产工艺越来越成熟，竹材在建筑结构中的应用取得了突破性进展﹒现代工业竹材(主要包括竹集成材、胶合竹、重组竹等)有效地解决了原竹构件不能满足建筑结构对材料的力学性能要求以及构件截面尺寸要求等问题﹒

竹集成材是将速生、短周期的竹材加工成定宽定厚的竹片，干燥至一定含水率，再通过胶黏剂将竹片胶合而成的型材[2,5]﹒侧压竹集成材作为其常见的组坯形式之一，凭借其较好的力学性能，更适合应用在各种结构构件中[1]﹒

国内外许多学者对侧压竹集成材梁的力学性能进行了大量研究，Sinha 等[6]比较了竹集成材梁(LBL)和胶合竹梁作为结构材料的应用潜力，并发现LBL在框架结构中有很好的应用前景；2016年，苏毅等[7]对竹集成材简支梁试件的抗弯性能及其破坏机理进行了研究，并提出了可用来评估竹集成材梁弯曲性能的分析计算模型；同年，李海涛等[8]在考虑尺寸效应的基础上研究了竹集成材梁的抗弯性能；2018年，李海涛等[9]对30个竹集成材梁试件进行了抗弯实验，当确定试验结果和计算结果基本吻合后，提出了竹集成材梁极限弯矩和极限弯曲挠度的计算方法﹒

以上研究大多是对侧压竹集成材梁的短期抗弯性能研究与分析，而对于其在长期荷载作用下的蠕变性能的研究仍不够充分﹒因此，本文进行了侧压竹集成材梁的长期加载试验，分析了长期荷载大小对侧压竹集成材梁的长期受弯性能的影响，并结合试验情况进行相关理论分析，确定了其在实际工程设计中更为经济的正常使用荷载标准值，可为工程设计提供参考﹒

1 试验概况

1.1 试件设计和制作

本试验采用桃花江牌的侧压竹集成材产品，选用5 a 以上竹龄的优质楠竹做材料，经选材、开片、粗刨、蒸煮、碳化、精刨、辊胶、组胚、热压成型等工艺制作而成﹒侧压竹集成材的实测含水率为6.3%，密度为640 kg/m3，顺纹抗压屈服强度为53MPa，顺纹抗压极限强度为84.9MPa，顺纹抗拉极限强度为111.7 MPa，顺纹抗拉弹性模量为9 194.4MPa，泊松比为0.338﹒

本试验采用尺寸为60 mm×120 mm×2 300 mm 的侧压竹集成材梁试件，将试验分为F1、F2和F3 3 组，每组均为单梁﹒此外，为了确定抗弯极限承载力，采用相同尺寸的2根侧压竹集成材梁试件A1和A2进行受弯极限承载力试验，各试件计算跨度均为2 040mm﹒

1.2 长期试验加载方案

1.2.1 长期荷载持续时间

由于目前我国还没有竹材复合构件的制作标准和试验方法，本试验参照《木材和工程复合木材的持续负载和蠕变影响评定》(LY/T 1975-2011)[10]中对于木制材料长期加载的时间规定，蠕变试验加载时间至少需要90 d，经综合考虑，决定侧压竹集成材简支梁的长期试验荷载持续时间为8个月﹒

1.2.2 持续荷载大小

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009 -2012)[11]中荷载效应组合的有关规定，可由试件受弯承载力试验的极限荷载值，推导出梁试件的长期试验加载值﹒因此，为确定试件的抗弯极限承载力，将A 组2根试件采用2点对称加载，见图2﹒

图2 2点加载试验

A 组试件受弯极限承载力试验主要结果见表1﹒根据A 组试件短期抗弯试验结果可知，A1梁与A2梁试件对应极限荷载分别为27.40和24.10 kN﹒一般情况下，比较多的实测构件可由式(1)～式(3)分别求出试验梁的极限承载力平均值、标准差s和变异系数Cv﹒

表1 各试件主要试验结果

侧压竹集成材梁的极限承载力标准值kR为：

式中a=1.645表示具有一定保证率的分位值﹒

因此，构件的极限承载力设计值R=kR/Rr，其中：Rr为抗力分项系数，鉴于竹材与木材力学性能的相似性，参考顺纹抗拉木结构构件抗拉分项系数，取Rr=1.60[12]﹒

在承载能力极限状态时，梁构件应当按荷载效应的基本组合进行计算，其中恒荷载与活荷载分项系数分别对应为1.3和1.5[13]﹒根据文献[14]所述，楼盖和办公类建筑的可变荷载作用效应与永久荷载作用效应之比可以取1.5﹒假设永久荷载标准值为G，则可变荷载标准值为1.5G，故梁的正常使用荷载标准值为在正常使用极限状态时，梁构件应当按荷载效应的标准组合进行计算﹒把上述永久荷载和可变荷载的假设取值代入式(5)中，得到梁的正常使用荷载标准值Sd=G+0.5 （1.5G）﹒算出梁的正常使用荷载标准值是其极限承载力标准值的0.308倍﹒根据此结果再参考前人的试验结果，最终确定侧压竹集成材梁的正常使用荷载为梁短期加载试验所得到的受弯极限承载力标准值的30%﹒为了研究在不同应力水平条件下侧压竹集成材梁试件的蠕变特征，另外再增加2组加载值进行试验，其加载值分别取极限承载力标准值的45%和60%﹒为降低加载难度，对加载值取整，试验中加载值取极限承载力标准值的30%，45%和60%，其对应 的荷载分别为8，12 和16 kN﹒

1.2.3 长期试验装置设计

本试验在中南林业科技大学结构实验大厅完成﹒期间，对F1、F2和F3 3组梁试件进行了8个月的持续加载试验﹒整个试验从夏天持续到冬天，对其温度和湿度全程进行了记录﹒该3组试件均采用四点弯曲加载法加载，即在梁三分点处吊载重物的方式施加长期荷载，达到试验期间加载值恒定的目的﹒其中，试件F1施加极限荷载的30%；试件F2施加极限荷载45%；试件F3施加极限荷载的60%，其分别对应的荷载为8，12和16 kN﹒加载示意见图3(a)，现场加载情况见图3(b)﹒

图3 长期试验加载装置及测点布置

2 长期荷载试验现象

3组侧压竹梁在叉车卸载瞬间，可明显观察到其挠度变形，F1梁的弯曲程度不明显，但F2和F3 梁的弯曲幅度较大﹒当加载至128 d 时3 组梁均未出现任何可见的裂缝和显著的外观差异，只是F3梁挠度最大，F2梁次之，F1 梁最小；当试验进行到第129 d，F3梁在加载点附近的梁受拉侧观察到有局部纤维断裂产生的裂缝以及胶层开裂；在第130 d，F3 梁从裂缝处发生断裂，整体坍塌，如图4所示﹒F1和F2梁在整个长期加载过程中，除挠曲变形外没发现任何可见裂缝，也没有任何显著外观差异，说明F1和F2 梁在整个试验过程中一直处于平稳变化状态﹒

为了研究环境温度和湿度对蠕变的影响，荷载持续加载期间，同时记录了实验室200 d 的温度和湿度情况，见图5和图6﹒

图4 试验梁长期试验期间状态

图5 温度-时间曲线

图6 湿度-时间曲线

3 试验结果及分析

为了分析不同应力水平条件下的蠕变对梁试件长期变形的影响，给出了梁挠度蠕变变形随时间的变化曲线，如图7所示﹒对图7进行分析，可以看出：

图7 蠕变变形-时间曲线

1)在不同应力水平条件下，各组梁构件蠕变变形曲线与典型的蠕变变形曲线较为接近﹒在第一阶段初始蠕变中，各组侧压竹集成材梁的蠕变变形速率逐渐减小，此阶段持续时间很短；在第二阶段为稳定蠕变阶段，此阶段的蠕变变形随时间的增加逐渐减缓，最后趋于稳定﹒从图中蠕变的进展时间来看，F1和F2 2组梁第二阶段将会持续一个较长的时间段，在本试验中F1和F2 2组梁没有加载到破坏，因此没有观察到加速蠕变阶段；F3梁构件因在经历初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段后挠度已经很大，在进入加速蠕变阶段后没多久便发生梁断裂，其加速蠕变阶段很短暂﹒

2)试验进行到20 d 时，F1，F2 和F3梁的跨中长期挠度分别完成80%，70%和70%；试验进行到80 d 时，F1，F2和F3梁的跨中长期挠度分别完成87%，83%和86%﹒可见，试件梁跨中长期挠度虽一直增大，但其变化速度不断减小，直到趋于稳定﹒

3)试验梁上荷载加载值不同也会对蠕变发展产生影响﹒将F1、F2和F3 3组梁施加的长期荷载值进行对比，即试件F1，F2和F3分别施加极限荷载的30%，45%和60%，发现当加载水平从极限荷载的30%提高到45%时，侧压竹集成材梁跨中挠度从21.29 mm 提高到了44.24mm；当加载水平提高到极限荷载的60%时，跨中挠度提高到64.82 mm﹒由此可见，各组试件的蠕变变形值和变形速率并没有随加载水平以相同的比例线性增加，而是随着加载水平增大以更高的速度增加，其中，F3梁试件的蠕变变形值明显要高于F2和F1 2组梁试件，且F3梁的蠕变变形第一阶段经历的时间最短，而F1梁第一阶段经历时间最长﹒

由此可见，应力水平对侧压竹集成材梁蠕变变形有着重要的影响，应力水平不同，蠕变变形程度也不一样，应力水平低，蠕变变形程度相对较小，随着应力水平的增大蠕变变形增大；在进入稳定阶段后，侧压竹集成材的变形增长速度及蠕变总变形均随应力水平增大而不断增大；当加载水平高于正常使用荷载时，其蠕变变形发展更加显著，在实际工程设计中应引起重视﹒

4)结合图5和图6可以看出，温度和湿度对侧压竹集成材梁的蠕变行为是有影响的，在80～100 d 期间，温度急剧下降，各组梁在此时间段蠕变速率发生改变，其最主要的原因是温度降低，材料含水率发生改变且呈现热涨冷缩的现象﹒为了更进一步了解梁的挠曲变形变化情况，图8给出了挠曲变形增长系数随时间变化的曲线﹒其中，挠曲变形增长系数=(某个时刻的总挠度-初始挠度)/初始挠度，它反映梁在不同荷载水准下因蠕变引起的长期效应变形情况﹒由图8可知，图8与图7具有相似的蠕变特征，低荷载水准的F1梁变形增长系数较小，最终趋于常量；高荷载水准的F3梁的变形增长系数较大，增长较快，且不能达到稳定直至试件断裂﹒

图8 挠度增长系数-时间曲线

F3梁在试验129 d 时发生破坏，这说明侧压竹集成材梁在高应力水平的长期荷载作用下会发生蠕变破坏，因此，在工程设计时要考虑长期荷载作用下的蠕变变形；F1和F2 2组梁在试验第200 d 左右时均逐渐趋于稳定，因此，在工程设计时侧压竹集成材梁的正常使用荷载标准值可取极限承载力标准值的45%，这样更经济﹒

4 结论

1)在不同应力水平下，构件蠕变变形曲线与典型的蠕变变形曲线较为接近﹒在第一阶段初始蠕变中，各组侧压竹集成材梁的蠕变变形速率逐渐减小，且持续时间很短；在第二阶段为稳定蠕变阶段，其蠕变变形随时间的增加逐渐减缓，最后趋于稳定﹒

2)应力水平对侧压竹集成材梁蠕变变形有着重要的影响﹒应力水平低时，蠕变变形程度相对较小；当应力水平高于正常使用荷载时，其蠕变变形的发展更加显著；在高应力水平时因过大蠕变变形而突然破坏﹒

3)温度和湿度的改变会影响材料的含水率，对侧压竹集成材梁蠕变行为有一定的影响，在工程中应尽量避免温度和湿度的显著改变﹒

4)侧压竹集成材梁的工程设计要考虑长期荷载作用下的蠕变行为，正常使用荷载可以取极限承载力的45%，这样更经济﹒