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摘 要： 摘要：竹材是世界上為數(shù)不多的可再生資源，有上千年的使用歷史和諸多良好的建材特性，是建筑行業(yè)的理想材料。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、國(guó)家政策的推動(dòng)，全生命周期均可實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹結(jié)構(gòu)是未來(lái)的發(fā)展方向之一。雖然從基本方法與手
摘要：竹材是世界上為數(shù)不多的可再生資源，有上千年的使用歷史和諸多良好的建材特性，是建筑行業(yè)的理想材料。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、國(guó)家政策的推動(dòng)，全生命周期均可實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹結(jié)構(gòu)是未來(lái)的發(fā)展方向之一。雖然從基本方法與手段上，竹結(jié)構(gòu)的研究可以從已經(jīng)較為成熟的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究中汲取經(jīng)驗(yàn)，但是，竹材是組成竹結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，這種特殊材料使得竹結(jié)構(gòu)在構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)以及體系構(gòu)成上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在顯著差別。結(jié)合已有成果，對(duì)現(xiàn)有竹結(jié)構(gòu)中所涉及的竹材、竹構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能作出分析;結(jié)合現(xiàn)代科技，對(duì)竹結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究、總結(jié)。結(jié)果表明：目前已有的竹筋混凝土結(jié)構(gòu)體系、改性竹材結(jié)構(gòu)體系、現(xiàn)代純?cè)窠Y(jié)構(gòu)體系已在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出竹材的性能優(yōu)勢(shì)。本文提出一種噴涂復(fù)合材料–原竹骨架組合結(jié)構(gòu)體系，其整體力學(xué)性能好，功能性和適應(yīng)能力強(qiáng)，施工速度快，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)，在低層房屋及村鎮(zhèn)建筑中應(yīng)用，具有較高的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu),研究現(xiàn)狀,工程應(yīng)用,原竹,改性竹
木竹材資源是世界上為數(shù)不多的可再生資源[1]。中國(guó)木材資源比較匱乏，但竹類資源豐富(約有39屬500多種)，竹種植面積和蓄積量均居世界首位[2]。因此，在目前木材供需矛盾仍很緊張的形勢(shì)下，研究竹結(jié)構(gòu)有重要的意義。建筑業(yè)是一個(gè)資源利用率低，能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重的行業(yè)。與傳統(tǒng)建筑材料(如磚、混凝土等)相比，竹材不僅生長(zhǎng)周期短、能在生長(zhǎng)過(guò)程中改善自然環(huán)境，而且加工過(guò)程中能耗低，廢棄后可自然降解，堪稱天然綠色建材[3]。
同時(shí)，竹材較木材具有強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，被結(jié)構(gòu)工程師們譽(yù)為“植物鋼筋”[4]。此外，竹材的強(qiáng)重比高，變形能力好，能夠吸收和耗散地震中的大量能量，是建筑行業(yè)的理想材料[5]。早在1867年，法國(guó)人蒙尼亞已經(jīng)提出竹材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方式[6]，我國(guó)也于20世紀(jì)50年代中期推出大量竹筋建筑[7]。
但是，由于早期的傳統(tǒng)竹結(jié)構(gòu)存在防火、防蟲(chóng)、保溫、隔聲、防腐性能差等缺點(diǎn)，且缺乏完整的理論體系，使得竹材在建筑工程中不僅往往與貧困、落后聯(lián)系在一起，而且無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，世界各國(guó)越來(lái)越注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)并提倡低碳生活。在全球節(jié)能減排的大環(huán)境下，黨中央、國(guó)務(wù)院出臺(tái)了一系列方針政策以推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的建設(shè)[8-10]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)家政策的推動(dòng)，人們對(duì)竹結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)，竹結(jié)構(gòu)的研究也有了更廣闊的平臺(tái)，克服其缺點(diǎn)成為可能。
在此背景下，全生命周期(從選材、施工到使用直至廢棄)均可實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹結(jié)構(gòu)成為了研究熱點(diǎn)。因此，合理發(fā)展竹結(jié)構(gòu)符合國(guó)家“綠色化”發(fā)展需要，具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。雖然從基本方法與手段上，竹結(jié)構(gòu)的研究可以從已經(jīng)較為成熟的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究中汲取經(jīng)驗(yàn)。但是，竹材是組成竹結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，這種特殊材料使得竹結(jié)構(gòu)在構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)以及體系構(gòu)成上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在顯著差別。
故在研究過(guò)程中，特別是理論分析，需以竹結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理為基本立足點(diǎn)。因此，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用進(jìn)行歸納與評(píng)述，重點(diǎn)闡述竹結(jié)構(gòu)研究中存在的共性問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上指出現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展方向。
1竹材力學(xué)性能
1.1原竹材力學(xué)性能
原竹指保留了圓形竹材初始性狀的原始竹(主要包括圓竹與竹片)。1932年，竹內(nèi)叔雄[11]就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)原竹材進(jìn)行研究。隨后，我國(guó)梁希[12]、余仲奎[13]、清華大學(xué)工程材料教研組[14]等均對(duì)不同竹材構(gòu)造、物理性能、力學(xué)性能等開(kāi)展了研究工作，特別是南京林產(chǎn)工業(yè)學(xué)院竹類研究室[15]，給出了竹材、木材和鋼材的強(qiáng)度比較如表1所示。
由表1可知，竹材的抗拉強(qiáng)度約為木材的2倍，抗壓強(qiáng)度比木材高約10%。此外，該文獻(xiàn)提出鋼材的抗拉強(qiáng)度為竹材的2.5倍~3.0倍，但由于鋼材比重較高，若按單位重量計(jì)算，竹材單位重量的抗拉強(qiáng)度約為鋼材的3倍~4倍。
本文認(rèn)為，雖然僅用單位重量比較竹材與鋼材之間的力學(xué)性能欠妥當(dāng)，畢竟二者在工程中的應(yīng)用范圍有較大區(qū)別，但是不可否認(rèn)將竹材作為建筑結(jié)構(gòu)承重材料是具備可行性的。原竹材為三向異性材料，其物理、力學(xué)性能與自身微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
竹子主要由纖維厚壁細(xì)胞(即維管束)和纖維薄壁細(xì)胞(即基體)組成，由于它們承載力能力不同，導(dǎo)致毛竹順紋抗拉彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度和靜曲強(qiáng)度沿徑向變異較大[16-18]：最外層竹材順紋抗拉彈性模量與順紋抗拉強(qiáng)度是最內(nèi)層的3–4倍和2–3倍;靜曲強(qiáng)度沿徑向由內(nèi)向外也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。此外，立地條件、含水率、竹齡、部位均對(duì)竹材力學(xué)性能有所影響[18-20]：立地條件越好，含水率越高(絕干條件除外)，竹材的力學(xué)性能越差;6年生毛竹各項(xiàng)力學(xué)性能總體在最高水平;竹桿上部比下部的強(qiáng)度大。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作[21-27]，其中不僅包括基本力學(xué)性能的測(cè)試，還有圓竹開(kāi)洞處抗劈裂、圓竹環(huán)向抗拉等性能的探討，如圖1所示。
1.2改性竹材力學(xué)性能
隨著原竹材研究的不斷深入，近年來(lái)出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)工程竹材類產(chǎn)品，如膠合竹、重組竹(竹集成材)、竹木復(fù)合材料等新型竹材。膠合竹是一種具有特定纖維排列方式，且經(jīng)過(guò)特殊工藝加工的天然竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。肖巖等[41,42]通過(guò)對(duì)Glubam膠合竹材的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到其彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等性能指標(biāo)，證明該竹材能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求。但作者發(fā)現(xiàn)，比較可知，Glubam膠合竹的力學(xué)性能指標(biāo)整體數(shù)值偏小，這是由于原竹材存在明顯的自身構(gòu)造優(yōu)勢(shì)(中空、纖維分布完整等)。
2竹構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能
研究竹材構(gòu)成的構(gòu)件(如梁、柱、墻體及樓板等)是推廣應(yīng)用竹結(jié)構(gòu)的前提。
2.1梁力學(xué)性能
對(duì)于原竹簡(jiǎn)支梁來(lái)說(shuō)，其受彎破壞模式已基本達(dá)成共識(shí)，即認(rèn)為原竹簡(jiǎn)支梁會(huì)發(fā)生縱向劈裂破壞或局部彎折破壞[53,54]。雖然文獻(xiàn)[55]已提出當(dāng)含水率較低時(shí)，原竹梁將發(fā)生縱向劈裂破壞，反之發(fā)生局部彎折破壞，但是不少試驗(yàn)卻得到了相反的結(jié)論。實(shí)際上，作者認(rèn)為原竹簡(jiǎn)支梁的破壞模式與加載方式、竹桿局部橫向承載力以及順紋方向承載力密切相關(guān)。基于竹材力學(xué)性能的離散型，現(xiàn)有研究尚未給出兩種破壞模式的量化分界點(diǎn),該分界點(diǎn)的確定將成為未來(lái)原竹梁研究的重點(diǎn)。此外，由于原竹梁的抗彎剛度較低，工程中可直接按照撓度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
Janssen[57]通過(guò)對(duì)原竹梁進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)還發(fā)現(xiàn)，與木材不同，原竹梁在長(zhǎng)期荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生變形的增加，且在卸載后梁可以恢復(fù)到受力前的直桿狀態(tài)，具有較好的整體性。近年來(lái)，基于改性竹材梁的研究不斷發(fā)展，唐卓等[58]對(duì)GluBam膠合竹I形擱柵梁的破壞形態(tài)、破壞機(jī)理、截面剛度和承載力等進(jìn)行了研究，認(rèn)為梁跨中截面應(yīng)變符合平截面假定，該梁具有良好的整體工作性能。蘇毅[59]、陳復(fù)明[60]、周軍文[61]、張?zhí)K俊[62]等均進(jìn)行了不同類型重組竹梁受彎性能的研究，給出破壞模式并提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。
此外，吳文清[63]等對(duì)不同竹質(zhì)復(fù)合I形梁進(jìn)行了彎曲靜載試驗(yàn)，研究其破壞機(jī)理、承載能力和變形性能，為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。總體而言，文獻(xiàn)[59]提出的竹集成材順紋單軸拉、壓應(yīng)力–應(yīng)變簡(jiǎn)化模型及關(guān)系式可用于此類梁彎曲性能的分析。
3結(jié)論及展望
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)家政策的推動(dòng)，全生命周期均可實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹結(jié)構(gòu)成為了未來(lái)發(fā)展方向之一。
(1)目前原竹材及改性竹材的基本力學(xué)性能均是一維受力狀態(tài)的研究，且缺乏統(tǒng)一的材料本構(gòu);關(guān)于防火、防腐處理對(duì)竹材力學(xué)性能的影響尚不明確。
(2)對(duì)竹構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)是現(xiàn)階段主流的研究方法，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)理論分析和數(shù)值模擬的深入探討(如不同破壞模式產(chǎn)生的原因、影響構(gòu)件承載力的量化因素等)，這是對(duì)竹結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
(3)對(duì)構(gòu)件間節(jié)點(diǎn)連接性能的研究尚顯不足，已有連接形式局限性較大，且基本受力機(jī)理仍未明晰，還需提出更具普遍適用性的新型連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行深入研究，這對(duì)形成結(jié)構(gòu)體系具有重要意義。
(4)現(xiàn)階段，已有的竹筋混凝土結(jié)構(gòu)體系、改性竹材結(jié)構(gòu)體系、現(xiàn)代純?cè)窠Y(jié)構(gòu)體系已在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出竹材的性能優(yōu)勢(shì)。
(5)噴涂復(fù)合材料與原竹骨架黏結(jié)可靠，本文提出的噴涂復(fù)合材料–原竹骨架組合結(jié)構(gòu)體系整體力學(xué)性能好，功能性和適應(yīng)能力強(qiáng)，施工速度快，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村低層房屋建筑中應(yīng)用，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
(6)今后應(yīng)進(jìn)一步完善現(xiàn)有竹結(jié)構(gòu)體系，大力研發(fā)適用于不同建筑類型的竹結(jié)構(gòu)新體系，在科學(xué)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上形成設(shè)計(jì)規(guī)范并與國(guó)際接軌，最終使竹結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域中大力推廣應(yīng)用。
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