小径级圆竹家具用材力学性能及其设计改良研究∗

蔡绍祥 夏 雨 徐冰洁 郭玉良

（1.常熟理工学院，常熟 215500；2.南通职业大学，南通 226007； 3.重庆同丰工程管理有限公司，重庆 400020）

竹材是一种生长快，成材周期短，力学性能优异的天然绿色材料。竹材分布地域广，其产品可应用于车辆、建筑、家具、装饰等各个领域，学者们对竹材的应用作了大量研究，研究表明：竹材既可加工成竹片，也可以圆竹直接利用[1-7]。对于小径级竹而言，由于其直径较小，竹壁薄，并不适用于建筑结构和竹质板材生产等，但将其应用于家具制造，不仅能扩大其使用范围，而且能提高竹材附加值。小径级竹主要包括毛竹、红竹和苦竹等，广泛分布于浙江、福建、江西、湖南、四川和安徽等地，竹材产量丰富，可利用价值高。目前，国内外家具设计者致力于生态设计和绿色设计家具产品。圆竹家具正好迎合了人们对绿色产品的消费需求。现代圆竹家具的结构改良主要体现在新的五金件、外观造型及圆竹结构增强等方面。本文对圆竹家具材料性能进行研究，对构造进行改良设计，同时采用局部注塑的方式增强圆竹力学性能，改良家具部件结合方式，从而满足不同角度的连接形式，实现家具造型的多样性，使家具外观从传统的造型演化出更多结形式，更符合现代简洁清晰的审美趋向。

1 材料与方法

1.1 材料

四年生毛竹（Phyllostachys pubescens）、红竹（Phyllostachysiridescins）和苦竹（Pleioblastus amarus）各20根，竹材表面光洁，截面较圆；距离根部10 cm处截取，并以1.2～1.5 m为基准，将同一竹竿平均分为底部、中部、梢部三部分。

1.2 设备

AB204-N型电子分析天平（梅特勒，瑞士），DNS50型微机控制电子式木材万能力学试验机（长春机械科学研究院），ER-1 OAGP型高低交变湿热试验箱（苏州晨光试验设备公司），SEG-021 型烘干箱（爱斯佩克，日本），游标卡尺、螺旋测微器和注塑时用的加热釜等。

1.3 试验方法

1.3.1 圆竹试验方法

测试比较毛竹、红竹和苦竹的物理力学性能，并对竹材底部，中部和梢部物理力学性能进行测试，比较竹材不同部位力学性能差异。参照GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》[8]制作力学试验竹片试件。圆竹竹片试件尺寸为：H（长度）mm×d（圆竹内径）mm×T（圆竹壁厚）mm。干缩率试件:10 mm ×10 mm ×T mm；顺纹抗压强度试件：20 mm × 20 mm × T mm；抗弯强度试件：160 mm ×10 mm × T mm；凸型顺纹抗剪强度试件：35 mm ×20 mm ×T mm；凹型顺纹抗拉强度试件：280 mm ×10 mm ×T mm；参 照LY/T 2564—2015《圆竹物理力学性能试验方法》[9]制作d mm ×40 mm圆竹材试件，用于测定圆竹顺纹抗压、顺纹抗剪、径向抗压强度；d mm ×60 mm试件用于测定抗弯强度，其中d为圆竹直径。

试件在交变湿热试验箱中以温度20℃、相对湿度65%的恒温恒湿条件下进行水分调节。平衡含水率至12%左右，再进行相关物理力学性能试验，竹片物理力学性能试验参照GB/T 15780—1995 进行。圆竹材物理力学性能测试参照LY/T 2564—2015 进行。径向环刚度测试：测量试件的长度和内径，将试件放置于2 块平行的压板之间，施加预载荷不大于50 N，以2 mm/min匀速垂直加载，记录试件在直径方向上内径的变形达到3%时的载荷和变形量，计算径向环刚度，计算公式： 其中，S为3%变形时的环刚度，MPa；P为3%变形时的载荷，kN；L为试件长度，m；Y为试件变形量，m；d为试件内径，m。

1.3.2 圆竹局部注塑增强法

家具结构破坏集中在结构的连接结合处，尤其在圆竹家具中显得更为突出[10-11]。在充分发挥圆竹自身特点的基础上，有学者[12]提出，将建筑中的CFST钢管混凝土技术[13-15]应用于圆竹家具结构，采用成熟的注塑工艺[16-18]，对圆竹连接结点局部注塑增强，以克服圆竹家具结构存在的一些缺陷。在圆竹家具的结构设计中，注塑采用的材料可以是橡胶、塑料，树脂加凝固剂等。可以根据家具设计要求，设计许多新型圆竹家具结构形式，本文以毛竹作为研究对象，ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）注塑材料，研究圆竹家具部件局部注塑，进行力学性能分析。

2 结果与分析

2.1 3 种竹材物理力学性能

2.1.1 竹片与圆竹材物理力学性能

由表1 和表2 可见毛竹、红竹和苦竹竹片物理力学性能差异。毛竹径向干缩系数和弦向干缩系数较大，苦竹与红竹的竹片径向干缩率数和弦向干缩率相差并不大，且都较小。毛竹基本密度稍低于红竹和苦竹。毛竹竹片抗压强度、抗剪强度和抗弯强度均低于红竹和苦竹，而红竹和苦竹相差不大。由毛竹、红竹和苦竹的圆竹力学性能对比发现，毛竹圆竹抗压强度、抗剪强度和圆竹径向环刚度均比红竹和苦竹低，而3 种竹材中红竹抗弯强度最低，苦竹最高。从抗压强度、径向环刚度和抗弯强度的综合力学性能考量，红竹和苦竹表现出较好的力学性能；对比四年生的毛竹、红竹和苦竹，发现毛竹的直径普遍大于红竹和苦竹，且可利用竹材量相对较大，使用效率相对较高。

表1 圆竹竹片材物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of bamboo sheet

表2 圆竹材物理力学性能Tab.2 Physical and mechanical properties of bamboo

2.1.2 圆竹材不同部位的力学性能

圆竹底部位置直径变化较大，且竹节间距较短；中部位置圆竹直径变化小，竹节间距较大，而梢部位置圆竹直径较小。为了研究不同部位圆竹材力学性能差异，可任选一种小径级圆竹为研究对象，本文以红竹为研究对象,研究圆竹不同部位力学性能，图1 和图2 所示为红竹圆竹材的抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和径向环刚度。由图可知，其抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和径向环刚度从底部到梢部均逐渐增强，抗弯强度在梢部增强最显著。对圆竹不同部位力学性能研究发现，红竹的这种变化规律与苦竹和毛竹变化规律相似[19-20]。主要原因在于：密度是竹材的重要物理性质，竹材的品质取决于密度。竹材在生长高度达到可生长的最高值后，其高度不再继续增加，因此其所吸收的养分或逐渐充实竹壁细胞；同一竹竿从底部至梢部，竹材维管束横截面积逐渐缩小，导管的孔径变细，自由水含量减少，密度增加，因此呈现同一竹竿从底部至梢部，物理力学性能提高的现象[3-4]。由以上分析可知，苦竹力学性能优于红竹，毛竹力学性能较差；圆竹不同部位的力学性能，竹子底部较差，且干缩率也较大，从综合力学性能考虑，中部位置圆竹较优，可作为家具用材。为提高小径级竹材利用率，可以对力学性能较差的竹材实行注塑增强工艺，使其达到家具用材的要求。

图1 圆竹材抗压、抗弯强度Fig.1 Compressive strength and bending strength of bamboo

图2 圆竹材抗剪、径向环刚度 Fig. 2 Shear strength and radial ring rigidity of bamboo

2.2 注塑圆竹材力学性能

对3 种小径级圆竹的力学性能研究发现，毛竹力学性能相对较差。为提高圆竹材力学性能，本文采用对圆竹进行局部注塑处理的方法，以使力学性能较差的圆竹材符合家具用材要求。试验中采用了ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）为圆竹进行注塑处理，取底部位置毛竹材为注塑研究对象。由表2 和表3 对比可知，毛竹圆竹局部注塑后，其抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和径向环刚度与未注塑毛竹相比均大幅提高，分别增加65.4%、103.8%、41.7%和69.8%，其中抗剪强度增幅最大。因此采用注塑工艺增强圆竹力学性能是一种有效途径，注塑后圆竹用于制作家具其力学性能更优，可采用更多家具部件连接方式。

表3 注塑圆竹材物理力学性能影响Tab.3 Physical and mechanical properties of injection molded bamboo

2.3 圆竹家具主要结构形式

圆竹家具有许多构件结合部位。传统的竹家具部件连接时多采用螺丝、竹销以及胶黏剂等，其结合强度较低。为增强结合部的力学强度，在制作过程中，可使用竹段与木芯相结合的方式进行连接，其主要方法是：竹段竹节打通后与相应大小的木芯匹配，并将木芯塞入竹段胶合固定。圆竹家具是一种框架拼接结构家具，为使圆竹家具连接部位接合强度更大，结构形式更加合理，本文设计直角斜接接合、三角并接接合、鱼口接合3 种连接接合方式。如图3 所示为3 种连接部件的外观结构形式。由于在塞入木段后，圆竹家具在连接时容易错位，且连接不够紧密，因此可对其连接方式进行优化，即在木段端部中心位置插入圆棒榫进行定位连接，同时可防止其相互错位。

图3 圆竹家具连接部件外观结构形式Fig. 3 Appearance and structure of connecting parts of bamboo furniture

图4a所示为直角斜接接合构件下料后的竹段，经打通竹节、打磨等工序，将竹段与竹段之间接合的端口切成45°；然后截取8～12 cm长木芯，一端同样切成45°，在连接部件结合之前，先将木芯与圆竹部件接合，木芯45°角端面涂上白乳胶，另一段木芯同样涂上乳胶，将二者以90°角的形状粘接，并再用气钉将其固定。二者之间缝隙用竹粉竹渣填满，竹段之间结合后再以气钉固定，以防止竹段错位变形。图4b所示为三角并接接合构件的主要工序，在前期处理完成后，与直角斜接接合不同的是，并接接合的竹段和木芯每一个端口需要切2 次，两面对称并且都呈45°，得到的形状类似心形，且在木段断面中心位置钻孔，插入圆棒榫，用于定位连接。两切面和圆棒榫部分涂上乳胶，而后以两两90°角的形式胶合，最后以气钉固定。胶合固定后的木芯涂上白乳胶，将打通竹节的竹段套在木芯上，以两两90°角进行接合，圆竹与木芯之间除了乳胶之外需用气钉固定，二者之间的缝隙同样用竹粉竹渣填满。图4c为鱼口构件接头的构造，鱼口构件主要用于在主框架安装之后，主框架内部的横帐等支撑部位。鱼口接合构件在安装时需将木芯塞入圆竹筒中，且木芯中心位置需要钻孔并塞入圆棒榫，使部件之间的接合更加牢固，不易错位；在安装时需在端口和圆棒榫上涂上乳胶，并将鱼口竹段安装在另一端已钻好孔的圆竹与木芯结合的部件中。

图4 圆竹中塞入木段后连接部件结构Fig. 4 Structure of connecting parts after inserting wood section into round bamboo

2.4 注塑圆竹家具主要结构形式

试验表明注塑能够有效提高圆竹的力学性能，本文根据相关文献研究[1,7,21]，结合毛竹的小径级特点，设计局部注塑圆竹丁字榫作为圆竹家具连接结构形式，局部注塑圆竹丁字榫借鉴了传统丁字榫结构，通过对圆竹局部进行注塑以增强力学性能，如图5a所示，同时又因原本中空的竹腔中被塑料所填充，因而制作连接榫和榫眼变得容易。制作连接榫时，科学合理地利用圆竹的自身特性，保留竹材原有的一层竹壁，有利于提高结构强度。这种结构与传统圆竹家具的丁字榫制作方式相比，具有工艺更简单，易于工业化生产，减小了因为制榫给结构力学强度带来的影响，使结构具有更稳固、可拆装等优点。同时为了方便安装和防止部件错位，在注塑部件的端口钻孔并插入圆棒榫进行定位。装配结构如图5b所示，这种结构形式可用于几案类等家具的腿与横帐的连接，也可用于床梃床屏的连接等。

图5 注塑圆竹丁字榫工序图Fig. 5 Process diagram of bamboo T-mortise tenon for injection molding

除丁字榫外，也可以利用偏心连接件结合方式，通过对结构的局部注塑增强后，采用板式家具中最常用的三合一偏心连接件，可以很方便地实现如传统圆竹家具结构中丁字榫连接结构形式。与传统圆竹家具结构形式相比，这种结构形式对圆竹的整体性破坏较小，因而结构更稳固耐用，同时还具有可拆装、易于实现工业化大批量生产、便于运输和成本低等优点[22-25]。在制作结构过程中，应根据圆竹实际尺寸选择三合一偏心连接件规格，如根据圆竹直径大小，调整连接件的个数。使用偏心连接件时，可根据受力情况不同，设计成单连接件和双连接件结合方式；同时可在断面钻孔插入圆棒榫进行定位连接，使接合部更加牢固，图6a所示为单偏心连接件结合，图6b为双偏心连接件结合。

图6 注塑圆竹偏心连接件结构图Fig. 6 Structural diagram of injection molded bamboo eccentric connector

3 结论

对毛竹、红竹和苦竹的竹片、圆竹和圆竹不同部位的物理力学性能进行分析对比。结果表明：红竹和苦竹的力学性能略优于毛竹；圆竹中部位置处直径变化较小，竹节间距长，综合力学性能较优，可作为圆竹家具用材。圆竹局部注塑能有效提高圆竹力学性能，通过注塑处理，力学性能较差的圆竹材可达到圆竹家具用材要求。根据小径级圆竹特点，设计了几种圆竹部件连接方案，如圆竹内预埋小木断的方法及直角斜接接合、三角并接接合、鱼口接合3 种连接接合方式；圆竹局部注塑部件接合方法可采用圆竹丁字榫和偏心连接件连接方法来增强接合强度；同时在几种连接部件端部可插入圆棒榫，用于部件之间的定位和防止错位，使连接更加牢固。