摘要：基于15根竹集成材簡(jiǎn)支梁的抗彎試驗(yàn)，研究其作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)的抗彎性能。結(jié)果表明：竹集成材簡(jiǎn)支梁共存在3種主要的破壞形態(tài)，即梁底部竹片指接處脆性拉斷、梁底部竹束膠合面斜向撕裂及梁底部竹纖維束逐漸拉斷；竹梁破壞時(shí)的撓度已達(dá)梁跨度的1/50，若類同木梁采用梁跨度的1/250作為撓度限值，則可考慮以撓度作為控制指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)；竹梁在破壞前，其橫截面應(yīng)變沿梁高度方向基本符合平截面假定；在加載初期，竹梁跨中截面曲率隨外荷載基本呈線性變化，當(dāng)彎矩達(dá)到極限彎矩的60%左右時(shí)，竹梁的截面曲率開(kāi)始進(jìn)入非線性階段；隨著曲率的增大，截面剛度逐漸退化，直至構(gòu)件破壞。

關(guān)鍵詞：竹集成材；簡(jiǎn)支梁；竹結(jié)構(gòu)；抗彎性能；靜力試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU366.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Flexural Properties of Glued Laminated Bamboo

Simply Supported BeamsSU Yi， ZONG Shengjing， XU Dan， HUANG Dongsheng， ZHOU Aiping

（School of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， Jiangsu， China）Abstract： Fifteen glued laminated bamboo simply supported beams were tested to investigate flexural properties of glued laminated bamboo as structural components. The results show that glued laminated bamboo simply supported beams exhibit three kinds of typical failure modes， such as the brittle fingerpulloff at the bottom of bamboo beams， the oblique tear of bamboo gluing surface at the bottom of bamboo beams， and the gradually pull off of bamboo fiber bundle at the bottom of bamboo beams. The deflection of destroyed bamboo beams have reached 1/50 of beam span， which can be control indicator in structural design， as wooden beams deflection limit is 1/250 of beam span. Before the failure of bamboo beams， crosssection strain distribution along the height is in accord with the planesection assumption. At the preliminary stage of loading， curvature and loading of glued laminated bamboo beams have a linear relationship. When the moment reaches about 60% of ultimate moment， the curvature of bamboo beams enter the nonlinear stage. With the increase of curvature， the rigidity of the section gradually degenerates to failure.

Key words： glued laminated bamboo； simply supported beam； bamboo structure； flexural property； static test

0引言

木結(jié)構(gòu)因輕質(zhì)高強(qiáng)、建造周期短、抗震性能好以及生態(tài)宜居等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)外住宅的主要結(jié)構(gòu)形式[1]。然而，因歷史上中國(guó)曾過(guò)度進(jìn)行森林采伐，目前結(jié)構(gòu)用木材資源匱乏，使木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制。竹結(jié)構(gòu)具有與木結(jié)構(gòu)類似的性能優(yōu)勢(shì)且竹子再生周期短，是一種可再生的生物質(zhì)復(fù)合材料，近年來(lái)受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注[214]。

竹子作為一種天然材料，已經(jīng)有數(shù)千年的使用歷史[15]。近年來(lái)，隨著竹材工業(yè)的發(fā)展，竹材作為結(jié)構(gòu)用材的研究及應(yīng)用也取得較大的進(jìn)展。呂雁等[1617]進(jìn)行了竹膠合梁及竹質(zhì)墻體研究，結(jié)果表明竹制梁和墻體的力學(xué)性能良好，竹制墻體還具有良好的保溫和隔聲性能，基于竹質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究成果，在云南省屏邊建造了竹結(jié)構(gòu)小學(xué)校舍[18]。四川“5·12”汶川地震后，中國(guó)研發(fā)的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)抗震安居房已被證明能夠抵御高烈度地震[1920]。

竹集成材是以原竹為原料，經(jīng)過(guò)一系列的機(jī)械和化學(xué)加工，在一定的溫度和壓力下，借助膠粘劑或竹材自身結(jié)合力的作用，膠合而成的板材和型材[21]。竹集成材的多項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于天然木材，其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性使其成為替代木材的一種綠色結(jié)構(gòu)用材。

然而到目前為止，竹集成材在生產(chǎn)過(guò)程中物理力學(xué)性能離散性較大，不能根據(jù)工程要求提供力學(xué)性能穩(wěn)定、滿足預(yù)期目標(biāo)的竹集成材產(chǎn)品，從而不能對(duì)結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的工作形態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與評(píng)估，結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性。因此，本文基于15根竹集成材簡(jiǎn)支梁的抗彎試驗(yàn)，研究竹集成材梁作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)的抗彎性能，分析竹集成材梁的破壞過(guò)程、破壞機(jī)理及變形等，可為此類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供參考。

1材料特性與試驗(yàn)方案

1.1材料特性

本文試驗(yàn)用竹集成材選用竹子為5年生毛竹，產(chǎn)自浙江省安吉縣。為保證試件材性的穩(wěn)定性，統(tǒng)一選取原竹上段制作竹集成材試件，采用的膠粘劑為酚醛膠。竹集成材的實(shí)測(cè)含水率為6.67%，密度為651 kg·m-3，抗壓強(qiáng)度為52.76 MPa，抗壓彈性模量為9 341 MPa，抗拉強(qiáng)度為128.67 MPa，抗拉彈性模量為12 526 MPa，泊松比為0.268。

1.2試件設(shè)計(jì)及制作

目前中國(guó)尚無(wú)竹制復(fù)合材料構(gòu)件制作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法，本文試驗(yàn)參照美國(guó)規(guī)范ASTM D19809[22]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。為了研究竹集成材梁的純彎曲性能，降低剪切變形的影響，共制作15個(gè)竹集成材矩形梁，編號(hào)依次為L(zhǎng)1～L15，試件截面尺寸為寬80 mm，高160 mm，長(zhǎng)2 200 mm，試件尺寸示意見(jiàn)圖1。

圖1試件尺寸示意（單位：mm）

Fig.1Schematic of Specimen Size （Unit：mm）1.3加載制度與測(cè)試內(nèi)容

本文試驗(yàn)采用電液伺服加載系統(tǒng)加載（圖2），作動(dòng)器最大負(fù)載10 t，精度為300 N。試件兩端簡(jiǎn)支，兩點(diǎn)加載，加載點(diǎn)間距700 mm（1/3跨度），梁跨度L為2 100 mm。因各竹梁試件的截面高寬比均小于3，故竹梁側(cè)面不需要附加支撐防止其失穩(wěn)。在試驗(yàn)正式加載前，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，即以2 kN·min-1的速率加載到2 kN，然后以同樣的加載速率卸載到0.5 kN，共循環(huán)2次，主要用于檢查試驗(yàn)設(shè)備是否正常。此外，預(yù)加載還可消除試件與支座和加載設(shè)備間的空隙，使結(jié)構(gòu)在正式加載前達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

Fig.2Test Loading Apparatus and Measuring

Point Arrangement （Unit：mm）正式加載時(shí)，選取先力控制加載后位移控制加載的混合加載模式，具體步驟為：采用力控制加載，加載速率為2 kN·min-1，加載至45 kN時(shí)，改由位移控制加載，以便觀察試件的具體破壞過(guò)程，加載速率為2 mm·min-1，作動(dòng)器位移控制目標(biāo)值為50 mm，以試件承受最大荷載為極限荷載。為測(cè)量竹梁在加載過(guò)程中橫截面應(yīng)變沿高度的變化，在各竹梁試件的跨中截面沿梁高度等間距粘貼5個(gè)應(yīng)變片。試驗(yàn)時(shí)每個(gè)試件的跨中和加載點(diǎn)處分別布置1個(gè)激光位移計(jì)以測(cè)定竹集成材簡(jiǎn)支梁在荷載作用下的豎向撓度。2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試件破壞形態(tài)

在試件臨近破壞時(shí)仔細(xì)觀察其破壞形態(tài)，竹集成材簡(jiǎn)支梁的主要破壞形態(tài)（圖3）可以歸納為以下3種。

圖3試件破壞形態(tài)

Fig.3Failure Modes of Specimens第1種破壞形態(tài)為梁底部竹片指接處脆性拉斷，發(fā)生此類破壞的梁共3根，其破壞都發(fā)生在純彎區(qū)梁底部材料指接處，如圖3（a）所示。由于竹集成材指接處的抗拉強(qiáng)度低于材料本身的抗拉強(qiáng)度，在純彎段材料可能有1個(gè)或多個(gè)指接，在加載過(guò)程中先達(dá)到極限拉應(yīng)力的指接處斷裂，產(chǎn)生細(xì)微裂縫并隨之脆性拉斷，隨著荷載的增加，其余指接處也相繼脆性拉斷，裂縫向梁寬度和跨度方向不斷發(fā)展而導(dǎo)致膠層脫落，裂縫貫穿，最終梁底部逐層拉斷破壞，承載力達(dá)到最大值并且急劇下降。

第2種破壞形態(tài)為梁底部竹束膠合面斜向撕裂，發(fā)生此類破壞的梁共5根，這種破壞是從梁跨中的純彎段開(kāi)始的，從荷載作用點(diǎn)向支座的彎剪段發(fā)展，如圖3（b）所示。這主要是由于試件內(nèi)部存在與層界面斜交的復(fù)合型裂紋，隨荷載的增加，裂紋不僅沿層界面展開(kāi)，同時(shí)向垂直于層界面的方向發(fā)展，因此，在梁底部形成比較寬的斜裂紋，最終竹纖維束被撕裂。與第1種破壞相比，其承載力下降比較緩慢。

第3種破壞形態(tài)為梁底部竹纖維束逐漸拉斷，發(fā)生此類破壞的梁共7根，這主要由于底部最外層竹纖維所受拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度而被拉斷，同時(shí)裂紋沿層界面發(fā)展，竹纖維束所受拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而逐漸被拉斷，直到試件破壞，如圖3（c）所示。試件斷裂過(guò)程較緩和，經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，其承載力也比較大。

第2種和第3種破壞形態(tài)表現(xiàn)出延性破壞特征，后期承載力下降段平緩，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，是比較理想的破壞形態(tài)，也是大多數(shù)試件發(fā)生的破壞形態(tài)；同時(shí)，由于制作工藝的限制，也有比較多的試件發(fā)生梁底部竹片指接處脆性拉斷，故在竹集成材的制作過(guò)程中應(yīng)進(jìn)一步改善加工工藝，提高竹片材料的均勻性，增大壓制的力度和密度，以避免發(fā)生這種破壞形態(tài)。

由竹集成材梁試件的試驗(yàn)過(guò)程可知，各試件在破壞前均會(huì)出現(xiàn)竹梁下部的纖維束斷裂的響聲或上部受壓區(qū)產(chǎn)生層間剝離的響聲，這些斷斷續(xù)續(xù)的響聲持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，是試件破壞明顯的征兆，故其破壞不是突然的脆性破壞。竹集成材梁試件的延性破壞特征還體現(xiàn)在破壞時(shí)其撓曲變形大，這主要是因?yàn)橹癫牡膹椥阅Ａ窟h(yuǎn)小于鋼材或混凝土的彈性模量。

2.2荷載位移關(guān)系曲線

圖4給出了試件L6在L/3（左側(cè)）、跨中和2L/3（右側(cè)）處的位移隨荷載的變化曲線。由圖4可以看出，在同級(jí)荷載下L/3和2L/3處的位移基本相圖4試件L6荷載位移曲線

Fig.4Loaddisplacement Curves of Specimen L6同，竹梁跨中位移最大。在加載初期，隨著荷載的增加，各點(diǎn)位移基本呈線性增加，當(dāng)加載到極限荷載的60%左右時(shí)，逐漸進(jìn)入非線性階段，梁的彎曲剛度隨荷載增加緩慢降低；當(dāng)接近最大荷載時(shí)，曲線出現(xiàn)一小段平緩段，隨即剛度迅速下降，試件破壞。圖5為全部試件的荷載位移關(guān)系擬合曲線。由圖5可見(jiàn)，達(dá)到最大荷載后，試件很快發(fā)生破壞，后期承載力曲線陡降，破壞時(shí)發(fā)生了明顯的彎曲變形，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，跨中的實(shí)際撓度均達(dá)50 mm以上（超過(guò)L/40）。

圖5全部試件跨中荷載位移關(guān)系擬合曲線

Fig.5Fitting Relation Curves of Loaddisplacement of

All Specimens根據(jù)中國(guó)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50005—2003）[23]的規(guī)定，作為結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件，梁的撓度限值為L(zhǎng)/250。因此，若考慮正常使用極限狀態(tài)的要求，類同木梁采用L/250作為撓度限值，竹集成材的強(qiáng)度利用程度還比較低?？梢?jiàn)，對(duì)于竹集成材受彎構(gòu)件，可以考慮以撓度或截面剛度作為控制指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3截面應(yīng)變分析

為了驗(yàn)證受彎試件的矩形截面上應(yīng)變是否符合平截面假設(shè)，試驗(yàn)測(cè)試了試件跨中截面各測(cè)點(diǎn)（沿截面高度由上到下布置測(cè)點(diǎn)1～5）的應(yīng)變隨荷載變化的規(guī)律，典型試件荷載跨中截面應(yīng)變曲線見(jiàn)圖6。由圖6可知，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試截面的應(yīng)變變化大體呈線性特征。在加載后期，各測(cè)點(diǎn)的荷載應(yīng)變圖6典型試件荷載跨中截面應(yīng)變曲線

Fig.6Loadsectional Strain Curves at

Midspan of Typical Specimens關(guān)系略呈非線性變化的趨勢(shì)，結(jié)合圖5可知，此時(shí)荷載開(kāi)始進(jìn)入平緩段。試件破壞后，由于受拉區(qū)纖維拉裂或受拉區(qū)壓屈分層，應(yīng)變因此發(fā)生突變，故靠近破壞區(qū)的部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)變減小。接近破壞時(shí)，試件下邊緣的纖維最大拉應(yīng)變約為8×10-3～10×10-3；上邊緣纖維最大壓應(yīng)變約為8×10-3～12×10-3。這說(shuō)明試件的彎曲破壞主要由材料的抗拉強(qiáng)度決定，受壓區(qū)強(qiáng)度未得到充分發(fā)揮。最后，根據(jù)梁跨中截面中心的應(yīng)變變化可知，開(kāi)始應(yīng)變幾乎為0，隨著加載的進(jìn)行，逐漸出現(xiàn)壓應(yīng)變并不斷增大，說(shuō)明梁的中性層在加載過(guò)程中是不斷下降的。

為考察在各種荷載工況下平截面假定是否成立，并了解中性層的位置，根據(jù)梁側(cè)5個(gè)應(yīng)變片的測(cè)量結(jié)果繪制出試件跨中截面的應(yīng)變沿高度變化的關(guān)系，典型試件的荷載跨中截面應(yīng)變沿高度分布如圖7所示。由圖7可知，竹集成材簡(jiǎn)支梁橫截面應(yīng)變沿高度方向大體呈線性變化，平截面假定是成立的，可據(jù)此進(jìn)行彎曲性能的力學(xué)分析。此外，圖7表明圖7典型試件跨中截面應(yīng)變沿高度分布

Fig.7Strain Distribution Along Height of

Section at Midspan of Typical Specimens跨中截面的中性層位置隨著施加荷載逐漸增大而下移。在同一荷載工況下，試件受壓區(qū)竹纖維的壓應(yīng)變總是大于受拉區(qū)竹纖維的拉應(yīng)變。

2.4抗彎性能分析

圖8給出了典型試件的跨中截面彎矩曲率關(guān)系曲線。由圖8可知：加載初期梁的曲率隨彎矩的增大呈線性變化，說(shuō)明梁此時(shí)處于彈性階段；當(dāng)彎矩達(dá)到最大彎矩的60%左右時(shí)，梁的曲率開(kāi)始出現(xiàn)非線性變化，說(shuō)明圖8典型試件跨中截面彎矩曲率關(guān)系曲線

Fig.8Relation Curves of Momentcurvature at

Midspan of Typical Specimens梁此時(shí)開(kāi)始進(jìn)入塑性階段，這與試件的荷載位移曲線相符；當(dāng)接近最大荷載時(shí)，曲線出現(xiàn)一小段平緩段，隨即剛度迅速下降，試件破壞。

圖9為彎矩曲率關(guān)系擬合曲線。從圖9可以看出：梁破壞后大部分試件的曲率保持不變，這主要由于在彈性階段試件的彈性模量保持不變，該曲線在加載初期呈線性變化；當(dāng)進(jìn)入塑性階段，試件的截面剛度開(kāi)始退化，所以梁的曲率變化逐漸加速，一旦圖9試件彎矩曲率關(guān)系擬合曲線

Fig.9Fitting Relation Curves of

Momentcurvature of Specimens出現(xiàn)試件破壞，截面剛度也隨著外荷載急劇下降。因此，從試件的彎矩曲率關(guān)系曲線可以初步推斷：在彈性階段，截面剛度保持不變時(shí)，竹集成材梁曲率與外荷載呈線形關(guān)系。

各試件承載力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，竹集成材簡(jiǎn)支梁抗彎極限荷載平均值為64.093 kN，抗彎強(qiáng)度平均值為65.82 MPa。表1試件試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1Test Results of Specimens試件編號(hào)截面寬度/mm截面高度/mm極限荷載/kN抗彎強(qiáng)度/MPa最大撓度/cm平均值及標(biāo)準(zhǔn)差L180.22159.9369.05370.676.905L280.16159.3254.87156.635.255L380.60159.5065.09466.676.802L480.55159.5459.70361.155.970L580.27159.0068.02570.396.219L680.43159.1468.02170.136.802L780.54159.7763.64365.016.365L880.15159.6366.55268.436.656L980.04159.2167.06569.426.706L1080.38159.8664.59866.046.508L1180.55159.9470.44471.797.044L1280.45159.4763.63865.326.853L1380.49159.6968.52170.106.535L1479.85159.2253.44555.445.874L1580.62159.6158.72760.056.364=65.82 MPa，

δσ=5.03 MPa，

=6.457 cm，

δf=0.474 cm注：，δσ分別為抗彎強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；，δf分別為跨中最大撓度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。3結(jié)語(yǔ)

（1）竹集成材簡(jiǎn)支梁主要有3種彎曲破壞形態(tài)，即梁底部竹片指接處脆性拉斷、梁底部竹束膠合面斜向撕裂和梁底部竹纖維束逐漸拉斷，其中第2種和第3種是比較理想的破壞形態(tài)，也是多數(shù)試件發(fā)生的破壞形態(tài)。

（2）竹集成材簡(jiǎn)支梁抗彎極限荷載、抗彎強(qiáng)度平均值分別為64.093 kN，65.82 MPa。荷載施加的初期，荷載位移曲線呈直線型，說(shuō)明梁此時(shí)處于彈性階段；當(dāng)加載到極限荷載的60%左右時(shí)，試件進(jìn)入非線性階段，梁的彎曲剛度隨荷載增加緩慢降低；當(dāng)接近最大荷載時(shí)，曲線出現(xiàn)一小段平緩段，隨即剛度迅速下降，試件破壞。

（3）竹集成材簡(jiǎn)支梁破壞時(shí)撓曲變形大，試驗(yàn)結(jié)果表明其延性較大，故其設(shè)計(jì)荷載是由截面剛度控制的，按照規(guī)范的撓度限值設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度將富裕較多，建議適當(dāng)放寬撓度限值以提高材料的強(qiáng)度利用程度。

（4）竹集成材簡(jiǎn)支梁橫截面應(yīng)變沿高度方向的變化基本呈線性，即竹集成材簡(jiǎn)支梁受彎試件滿足平截面假定。

（5）彈性階段截面剛度保持不變，竹梁曲率與外荷載呈線性關(guān)系；塑性階段外荷載基本保持不變，竹梁曲率與截面剛度成一定的反比關(guān)系。參考文獻(xiàn)：

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