木骨架正交斜放竹条覆面墙板抗剪试验研究

柏文峰，白 羽，梁煜明，刘中伟，苏何先，赖正聪

（1.昆明理工大学 建筑与城市规划学院，云南 昆明650051；2.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明650051；3.北京2022冬奥会和冬残奥会组织委员会场馆规划建设部，北京102022）

《建筑业发展“十三五”规划》［1］明确提出，在有条件的农村地区推广轻型钢结构、现代木结构装配式农房。目前，较为成熟的装配式农房技术包括轻型木结构和冷弯薄壁型钢结构。轻型木结构的墙体构造是用构件断面较小的规格材作为墙骨架，然后把木基结构面板或石膏板直接用铁钉固定在墙骨架上形成剪力墙［2］；冷弯薄壁型钢结构是由轻型木结构体系演变而来［3－4］，用冷弯薄壁型材替代轻型木结构体系中的木骨架就形成了冷弯薄壁型钢结构。这两种结构体系均为墙承重结构，墙体面板采用木基结构面板或石膏板，这两种板材均为工业化生产的产品，产品内含能量较高，不符合绿色农房建设应采用“绿色的、经济的、乡土的建材产品的要求”［5］。

在森林退化与环境破坏问题日益严重的今天，竹子作为生态、环保、可再生资源，正受到越来越广泛的关注。原竹结构和竹集成材结构是现代竹建筑发展的两个方向［6－14］。现代原竹建筑直接利用竹竿作为结构杆件，原竹杆件粗细不同、壁厚不一，导致节点连接复杂，难于工业化、标准化生产。基于深加工技术的竹集成材建筑是将原竹打蔑加（浸）胶，压合成型材，然后切割、胶合、加工成建筑构件，再由构件组合成结构，其优点是构件规格统一，物理力学性能较为稳定。就农房建设而言，竹集成材的最大缺点是加工程序复杂，原料价格为常见木材价格的两倍，没有推广应用的价值。既有的现代竹建筑的两个方向都不能适应绿色农房建设的需要，需另辟蹊径，研发以产业化为目标的低能耗、低造价的新型竹结构。

木骨架正交斜放竹条覆面墙板是国家科技支撑计划项目课题《原竹结构体系研究及工程示范》的研究成果，其技术特点是采用双向正交斜放的竹条替代轻型木结构和冷弯薄壁型钢结构墙体的木基结构面板或石膏板。本文通过对2组共计6块木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板进行抗剪承载力试验，与另一组轻型木结构墙板的抗剪能力进行对比，验证技术的优越性，为此类构件的工程应用和深化研究创造条件。

1 模型制作与试验设计

1.1 结构原理

采用小截面锯材制作墙板骨架（图1），把非标准的原竹杆件加工成规格统一的竹条，相邻竹条靠紧按照正交斜放的方法把竹条按一定倾角用气钉固定在骨架一侧（图2），形成木骨架正交斜放竹条覆面墙板。基于竹墙板承受双向水平地震作用的特点，经过ANSYS软件建模分析（图3），得到正交竹条斜放不同倾角在水平地震作用下的墙板顶部侧向位移曲线（图4）。分析结果表明，在给定侧向力的前提下，竹条与木骨架夹角在40°～50°之间时，侧向变形相对最小，考虑施工方便，取45°。

图1 墙板骨架加工图Fig.1 The wooden framework of hybrid panel

图2 安装竹条Fig.2 Installing bamboo on the wooden framework

1.2 模型制作

试验墙板模型A、B、C共3组，每组3块墙板。墙板长3 000mm、高2 400mm，木骨架采用截面40mm×140 mm的锯材制作，锯材采用加拿大冷杉。骨架锯材交汇处用2根80 mm长铁钉连接固定，骨架尺寸详图5。A、B组墙板为木骨架单侧正交斜放竹条覆面，竹条宽度40 mm，厚度10 mm，竹条与锯材木骨架叠合处用4颗T50气钉把竹条固定在木骨架上，木骨架正交斜放竹条覆面墙板制作完成（图6）。C组为木骨架单侧12 mm厚木基结构板材覆面，按照《木结构设计标准》［15］中轻型木结构构造要求，用长度60 mm的铁钉把木基结构板材牢固的钉在木骨架上，墙板外边缘处铁钉间距150 mm，中间支座处的铁钉间距300 mm。

在水平和竖向荷载作用下，墙板的竹条主要承受顺纹的拉力或压力。竹条顺纹抗拉能力很高，接近钢材，竹条抗压能力约为抗拉能力的1/4，优于木材，因此，木骨架正交斜放竹条覆面墙板充分利用了竹材的天然力学优势。为节约木材，试验模型采用了600 mm的竖向骨架间距，竖向骨架之间设置横撑。竹条采用贯通式，在墙板范围内没有接头。骨架之间竹条最大自由长度为792 mm，由于竹条厚度仅有10 mm，在顺纹受压时容易失稳［16］，顺纹抗压强度不能得到充分利用，估计墙板的最终破坏模式可能是由于竹条受压屈服导致墙板侧向失稳。

图3 竹条使用link 8单元建模Fig.3 Modeling bamboo strip using link 8 units

图4 竹条与骨架边缘夹角变化与墙板顶部侧向位移曲线Fig.4 The lateral displacement of the hybrid panel changing with the different angle between the bamboo strip and framework

图5 木骨架构造图Fig.5 The engineering graph of the wooden framework

图6 木骨架正交斜放竹条覆面墙板制作完成Fig.6 The completed hybrid panel

墙板骨架锯材采用加拿大冷杉，木材等级为2级，其力学性质见表1。竹条力学性质见表2。木基结构板采用B级结构胶合板，厚度12 mm。

表1 加拿大冷杉强度设计值及弹性模量Tab.1 The designed strength value and elasticitymodulus of Canadian fir

1.3 试验设计

试验分3组进行。首先对A组3片木骨架正交斜放竹条覆面墙板进行推覆试验，通过单向推覆试验，初步了解木骨架正交斜放竹条覆面墙板在竖向荷载和水平荷载作用下的反应，获得木骨架正交斜放竹条覆面墙板在单向荷载作用下最大水平承载力及水平向的最大变形能力，同时也为后续低周反复试验控制参数确定提供参考。依据推覆试验所得到的木骨架正交斜放竹条覆面墙板最大变形能力，确定出低周反复试验位移控制参数，然后对B组墙板进行试验，通过低周反复试验模拟木骨架正交斜放竹条覆面墙板在竖向荷载和水平地震荷载作用下的反应，研究其在地震荷载作用下的破坏过程、破坏形态、滞回曲线和骨架曲线的特征以及墙板的抗震承载力（极限抗剪强度）和变形能力等抗震能力参数。最后通过与同样尺寸规格的C组3块墙板的低周反复试验结果进行对比，进一步验证木骨架正交斜放竹条覆面墙板在抗震性能方面的优越性。

表2 竹条主要力学性质表Tab.2 Themain mechanical properties of bamboo strip

试验采用墙顶加载方案，竖向荷载为36.5 kN，利用液压千斤顶施加，通过分配梁分配到墙顶，液压千斤顶顶部放置滚轴，以保证在竖向荷载不变的情况下，墙板顶端可以产生水平位移。试验时，竖向荷载一次加至设计荷载并一直保持到试验结束。竖向荷载是根据二层承重竹条覆面墙板房屋的实际尺寸，按楼面为轻质楼面，屋面为木质屋面房屋的实际荷载计算得到［17］。单向推覆试验和低周反复荷载试验均采用门式反力架作为竖向加载的反力基座，液压千斤顶竖向加荷，分配梁将单点集中荷载转化为墙顶均布荷载。以反力墙作为水平加载的反力基座，通过电液伺服作动器施加水平荷载。加载时采用位移控制，单向推覆试验位移加载速率为0.1 mm/s；低周反复荷载试验加载分为3个阶段：在峰值位移分别达到0.012 5Vm、0.025Vm、0.05Vm、0.075Vm和0.1Vm时，荷载循环为一次；第二阶段，峰值位移分别达到0.2Vm、0.4Vm、0.6Vm、0.8Vm、1.0Vm和1.2Vm时，每个峰值下的循环次数为3次；第三阶段，侧向位移超过1.2Vm后，每一级位移增量0.2Vm，荷载循环次数为3次，直至墙板破坏为止。其中Vm为单向推覆试验获得的墙板极限位移值。

墙板抗震试验需要测量墙板变形，反应结构位移及延性。加载对应位置，利用位移计测量墙端位移，墙板底部、墙板中部布置位移测点。位移测点编号及布置见图7，安装就位的墙板见图8。

图7 位移测点布置图Fig.7 The layout of displacementmeasuring points

图8 安装就位的木骨架正交斜放竹条覆面墙板Fig.8 The hybrid panel in preparation for experiment

2 试验结果分析

2.1 试验现象

试验墙板的破坏主要表现在3个方面：第一，覆面材料与木骨架之间的连接破坏；第二，覆面材料断裂破坏；第三，木骨架底梁破坏。

首先对A组墙板进行了单向推覆试验。在水平推力作用下，木骨柱之间承受压力的竹条首先发生平面外凸鼓（图9），损坏区域主要集中在墙板受压向的斜对角范围，随水平荷载继续增加，竹条外鼓程度和范围都不断扩大，少量竹条发生断裂，部分竹条出现钉接破坏，最后木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板均以木底梁断裂或劈裂而完全破坏（图10）。

图9 搁栅跨中竹条端部翘起Fig.9 The warped bamboo strips across the joist

图10 木底梁断裂破坏Fig.10 The cracked wooden beam at the bottom

在低周反复荷载作用下，B组墙板也是竹条发生平面外凸鼓。因受反复荷载作用，内外两层竹条均出现外鼓（图11），随水平荷载继续增加，墙板竹条外鼓程度和范围都不断扩大，部分竹条端部出现钉接破坏（图12），最后水平承载力明显降低或底梁破坏而结束试验。

图10 竹条端部发生拔钉破坏Fig.10 The failure between the bamboo trips and nails

图11 墙板内层和外层竹条翘曲Fig.11 The warp of inner and outer bamboo trips of hybrid panel

C组墙板为对比组墙板，在反复荷载作用下，首先出现木基结构板材与木骨架钉接破坏，随水平荷载增加，木基结构板材分块与木骨架脱离，大部分连接钢钉被拉脱，少量出现拉断破坏。因C组1＃墙板在较低水平荷载作用下出现了木基结构板材与木骨架的连接破坏，试验前对第2＃、3＃墙板进行了加强连接处理，将中间支座处的铁钉间距由300 mm加密到150 mm。经加强处理后的墙板水平承载力有明显提升，其最终破坏模式与第1＃墙板相同。

图12 1#墙板木基结构板与木骨架脱离Fig.12 The separation between the wood-based panel and wooden frame

图13 钉距加密后木基结构板与骨架脱离情况Fig.13 The separation after installing usingmore intensive nails

试验结束后，木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板严重破坏，荷载卸除后，墙板的部分变形逐渐恢复，同时墙板仍具有较大的竖向承载能力。通过试压得出，水平荷载极限承载力试验后的木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板最大可承受6倍计算竖向荷载而未发生整体压溃现象。而木基结构板材墙板因试验结束后木基结构板材几乎全部破坏，仅剩木骨架体系，所以未进行竖向承载力试验。

2.2 荷载-位移曲线及试验结果分析

根据单向推覆试验所得3块木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板的荷载－位移曲线可见（图14），在单向推覆荷载作用下，1＃墙板顶端位移为9.64 mm时竹条覆面墙板的内层竹条出现外鼓（图15），对应水平荷载69.5 kN；2＃篾竹条覆面墙板顶端位移为9.15 mm时内层竹条出现外鼓，对应水平荷载42.1 kN；3＃竹条覆面墙板顶端位移为11.09 mm时内层竹条出现外鼓，对应水平荷载62.5 kN。随水平荷载继续增加，竹条覆面墙板破坏程度继续加重，最终试件均以木底梁断裂或劈裂而完全破坏。3块竹条覆面墙板的最大侧向承载力分别为143.4、110.6、144.3 kN，其侧向极限位移分别为94.2、72.3、108.1 mm。其中2＃墙板由于安装偏差，试验过程中出现平面外倾覆而停止加载，其试验结果与其它两块墙板试验结果存在较大差异。

图14 A组墙板单向推覆荷载—位移曲线Fig.14 Load-displacement curve of group A hybrid panel in one way push

图15 竹条受压屈服起拱Fig.15 The bamboo strips compressed to yield arches

通过记录试验加载过程中的荷载和位移，绘制出B组1＃～3＃墙板的滞回曲线图（图14）。滞回曲线所包围面积代表加载过程中试件累积的塑性变形能，由该面积的大小，即滞回曲线（滞回环）的饱满程度，可初步判断试件的能量耗散能力。由1＃、3＃竹条覆面墙板得到的滞回曲线相似，正向与反向的荷载位移曲线差异非常明显，荷载作用下，正向水平承载能力出现下降的情况下，墙板反向承载能力并未出现下降趋势，分析发现1＃、3＃竹条覆面墙板在反向荷载作用时均是外层竹条受压。与此相反，正向荷载作用下，2＃竹条覆面墙板外层竹条受压，根据3块竹条覆面墙板的滞回曲线可以得出，当施加荷载使墙板外层竹条受压时，墙板在此方向的承载能力明显高于施加荷载使内层竹条受压方向的承载能力。从滞回曲线图可以看出，随着加载幅值的增加，滞回环饱满程度有逐渐增加的趋势，表明试件累积的塑性变形能逐渐增大，也即耗能能力不断增加。但随着加载幅值的增加，滞回环同时产生捏笼现象，说明竹条覆面墙板试件产生了水平滑动。竹条覆面墙板荷载位移曲线见图14。通过连接各加载等级首次循环的峰值点，可得滞回曲线的包络线，即荷载－位移骨架曲线，如图15所示。

在低周荷载反复作用下，竹条覆面墙板的损伤同样也是以竹条首先出现外鼓为标志，与单向推覆相同，墙板损伤开始时，施加于墙板顶端的最大位移值大约为10 mm，其中1＃、2＃墙板出现损伤的阶段是控制位移为10 mm的加载周期，3＃墙板在控制位移为20 mm的加载周期内才出现损伤。继续增加荷载，1＃墙竹条外鼓程度加重，并出现少量竹条断裂，最后以底部横梁断裂而结束试验。试验后期，2＃墙大部分竹条均出现明显外鼓变形，同样出现少量竹条断裂，部分竹条连接破坏，墙板水平承载力出现明显下降的情况下停止加载。基于安全，3＃墙以部分竹条断裂，部分竹条连接破坏，在墙板还未出现明显水平承载力下降的情况下停止试验。3块墙板中，2＃墙板变形和承载能力发挥的更充分，正反向荷载作用下，墙板工作性能比较接近，而1＃、3＃墙板却出现了明显的一个方向承载能力强，另一个方向承载能力弱的不利现象，试验后分析认为这可能与试验墙板仅单面竹条覆面和试件自身规整性及安装偏差等都存在一定的关系。

图16 B组1#～3#墙板低周反复荷载作用下的荷载—位移曲线Fig.16 Load-displacement curve of group B 1＃～3＃hybrid panel under low-cycle repeated load

图17 B组1#～3#墙板低周反复荷载作用下的荷载—位移骨架曲线Fig.17 Load-displacement curve of group B 1＃～3＃wallboard under low-cycle repeated load

表3 木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板测试结果Tab.3 The test results of hybrid panelwith wooden frame covered by orthogonal oblique placement bamboo strips

作为对比试验的C组3块墙板在低周反复荷载作用下的滞回曲线如图16。

图18 C组1#～3#木基墙板在低周反复荷载作用下的荷载—位移曲线Fig.18 Load-displacement curve of group C 1＃～3＃wood-based panel under low-cycle repeated load

试验中3片木基结构板材墙均在控制位移为5 mm加载周内出现木基结构板材与木骨架钉接破坏，随荷载增加，连接破坏范围和破坏程度不断增加，最后木基结构板材墙均以木基结构板材覆面连接完全破坏，木基结构板材分块脱落，试验结束。由滞回曲线可见，1＃墙板最大水平承载力为16.6 kN，此时控制位移为20 mm，当控制位移增加至40 mm时，木基结构板材覆面大量脱落，墙板几乎丧失水平承载能力。由于1＃墙板因木基结构板与木骨架连接破坏导致破坏过早，对2＃、3＃墙板的覆面木基结构板材连接进行加强，将中间支座处的铁钉间距由300 mm加密到150 mm后进行试验。由2＃、3＃墙板的滞回曲线可以看出，其水平承载能力明显增大，侧向变形能力也明显增强。2＃墙板最大水平承载力为53.1 kN，3＃墙板最大水平承载力为50.5 kN。可见，C组墙板中木基结构板与木骨架连接决定着墙板的抗震性能。

比较竹条墙板与木基结构板墙板试验结果，竹条墙板的承载能力、变形能力以及耗能能力均显著高于木基结构板墙板，两种墙板最大承载力与最大位移的试验数据对比见表2。

表4 竹条覆面墙板与木基结构板材墙板测试结果比较Tab.4 Comparison of test results between hybrid panel and wood-based panel

3 与理论计算对比分析

试验以2层木骨架竹条覆面墙承重竹建筑为参照，墙体地震作用下的水平地震剪力计算也以此为基础。两层木骨架竹条覆面墙承重竹建筑的开间尺寸为3 600 mm，2 700 mm，3 600 mm，进深为6 m。楼面恒载标准值1.54 kN·m－2，屋面恒载标准值1.54 kN·m－2，墙体自重荷载标准值0.55 kN·m－2，采用底部剪力法［18］计算得到设防烈度8度（0.2 g）条件下试验墙板承受水平地震作用为7 kN，理论计算值与试验结果如表3。

表5 8度抗震设防条件下，最大承载力与作用之比Tab.5 The ratio ofmaximum bearing capacity to seismic force under 8-degree seismic fortification

从表3可以看出，竹条覆面墙板满足8度抗震设防要求。由于墙板自重轻，其抗剪能力远高于设防烈度地震施加于结构的水平作用，具有足够的安全储备。由试验可知，当竹条覆面墙板达到抗剪极限承载力后，施加6倍计算竖向荷载而不发生整体压溃。因此，在建筑抗震概念设计原则指导下，竹条覆面墙板可用于抗震设防8度区低层竹建筑的建设。

4 结论

试验墙板的破坏形态主要表现在3个方面：第一，覆面材料与木骨架之间的连接破坏；第二，覆面材料断裂破坏；第三，木骨架底梁破坏。

在竹条覆面墙板单向推覆试验与低周反复试验中，墙板均是以受压竹条外鼓为损坏标志，随荷载逐渐增大，墙板损坏程度和受损范围不断增加。单向推覆试验墙板最终均是木骨架底梁破坏而破坏，这主要是因底梁脚部螺栓孔多，形成局部薄弱部位，工程应用中需控制角部开孔数量。低周反复试验中有一块墙板底梁断裂而破坏，其余两墙板均以竹条断裂、部分竹条与木骨架连接破坏而破坏，这表明在竹条覆面墙板中，骨架与竹条的连接至关重要，必须保证连接质量。

竹条覆面墙板中部分竹条断裂后，其余竹条仍约束墙板保持整体性，维持墙板承担水平荷载和竖向荷载的能力，因此，竹条覆面墙板具有优越的抗剪能力和变形能力。经低周反复试验后的墙板在严重损坏情况下仍具有较大的竖向承载能力。试压结果表明，受损墙板最大可承受6倍的计算竖向荷载而未发生整体压溃。竹条覆面墙板建筑自重轻，承受的地震荷载比传统建筑小，部分竹条的破坏可以消耗较多地震能量，这些有利因素的综合作用使竹条覆面墙板具有优良的抗震性能。由试验所得墙板荷载－位移骨架曲线可知，3块竹条覆面墙板所能承受的最大水平荷载分别是162.6、148.8、153.1 kN，远高于理论计算所得8度设防时的地震作用7 kN，竹条覆面墙板满足低层建筑8度抗震设防要求。用竹条代替轻型木结构的木基结构面板或石膏板，可以获得更好的承载能力、变形能力以及耗能能力，是一项节约木材、经济适用的绿色建筑技术，对推动绿色农房建设和木竹装配式建筑发展具有积极的促进作用。

木骨架双向正交斜放竹条覆面墙板抗剪能力与很多因素相关，如竖向木骨架间距、竹条厚度等等，还需要进一步的研究与试验，建立墙板承载力和变形的理论计算方法。