時(shí)延昭（中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410010）

基于竹材力學(xué)性能及其在土木工程中應(yīng)用的研究進(jìn)展

時(shí)延昭（中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410010）

竹材具有成材效率高和材性優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，其在我國(guó)具有豐富的資源，是當(dāng)前建筑材料中使用廣泛的綠色優(yōu)質(zhì)材料。隨著建筑領(lǐng)域越加重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)以及發(fā)展維持，在土木工程中引用新型綠色環(huán)保是必然的。本文主要對(duì)竹材的三個(gè)方面進(jìn)行研究：①竹材的力學(xué)性能；②原竹的應(yīng)用；③工程竹的應(yīng)用研究，總結(jié)了其在土木工程中的應(yīng)用，并提出其中所需重視的技術(shù)要點(diǎn)，以在土木工程中，推動(dòng)綠色竹材的應(yīng)用范圍。

竹材力學(xué)性能；土木工程；研究進(jìn)展

我國(guó)森林面積較廣，而竹子是其中最主要的一項(xiàng)資源，而竹類植物在全世界大約有107種屬性，高達(dá)1350多種，而我國(guó)所擁有十分豐富的竹類資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)大約有40多種屬性，差不多550多種?？偟膩碚f，竹子與普通鋼材和木材進(jìn)行對(duì)比具有一定優(yōu)勢(shì)：①?gòu)椥院?；②性能穩(wěn)定；③強(qiáng)度高；④密度小等，因而被大量用于土木工程中。

1 竹材的力學(xué)性能

竹材由于其部位的不同，以及含水率和竹齡的差異都具有不相同的性能。竹子的組成部分主要包含兩點(diǎn)：①纖維后壁細(xì)胞，也是維管束；②纖維薄壁細(xì)胞，即基體。排列整齊的維管束具有最大作用的竹材力學(xué)性能，其竹材的高剛度和高強(qiáng)度也是因?yàn)樗呢暙I(xiàn)。竹材由于部位的不同，其形狀、纖維含量、細(xì)胞形狀和大小都是不同的。經(jīng)過研究證明，竹桿上部分的力學(xué)強(qiáng)度高于下部分，竹壁內(nèi)側(cè)的力學(xué)強(qiáng)度低于竹壁外側(cè)。同時(shí)，竹材的力學(xué)性能隨著竹齡的增加會(huì)有所提升，但在到達(dá)一定程度，即竹桿開始老化并變脆時(shí)，會(huì)逐漸下降強(qiáng)度。

竹材的抗剪強(qiáng)度、抗壓和彈性等方面力學(xué)性能會(huì)因?yàn)楹实亩嗌俣a(chǎn)生差異。新鮮竹材的力學(xué)性能會(huì)低于氣干后，但在竹材干到一定程度時(shí)，其質(zhì)量也會(huì)因?yàn)樽兇喽档土W(xué)性能。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)竹材在具有30%以內(nèi)的含水率時(shí)，其原竹會(huì)很快下降力學(xué)性能。當(dāng)大于30%含水率時(shí)，原竹力學(xué)性能并未發(fā)生特別反應(yīng)。

目前，在研究竹材力學(xué)模型和測(cè)定方法時(shí)，都需要對(duì)竹材的徑向、順紋和彈性等予以關(guān)注，較少關(guān)注三維受力的性能，并缺乏相關(guān)的研究定論和試驗(yàn)。同時(shí)，原竹受彎和受損等受力情況，大多是因?yàn)橄蚁蚺讯a(chǎn)生的，但至今還沒有實(shí)際的破壞準(zhǔn)則。所以，對(duì)竹材破壞準(zhǔn)則的深入研究，可以對(duì)其破壞的各種模式進(jìn)行比較準(zhǔn)確的解釋。

2 竹材的應(yīng)用研究

2.1 原竹的基本結(jié)構(gòu)

我國(guó)很多偏遠(yuǎn)地區(qū)都有大量竹子盛產(chǎn)，其中還有很多充滿特色的原竹民居，而建造者的經(jīng)驗(yàn)是設(shè)計(jì)和建造這些房屋的主要基礎(chǔ)。近年來，原竹居民結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始受到學(xué)者們的研究，并對(duì)其構(gòu)造和設(shè)計(jì)方法提出觀點(diǎn)。Sharma等通過實(shí)驗(yàn)足尺水平推覆，研究了在水平反復(fù)荷載下原竹柱底的表現(xiàn)。Richard等對(duì)原竹組合柱進(jìn)行了受壓性能研究，其結(jié)果表明單根竹柱會(huì)因?yàn)槠淝任⑷醵绊懗休d力，多根原竹組合進(jìn)行受壓時(shí)，組合柱的屈曲強(qiáng)度發(fā)生改變，其與原竹數(shù)量有直接聯(lián)系。Elbaz等對(duì)原竹網(wǎng)殼體系進(jìn)行研究，當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，其可以快速搭建形成緊急避難場(chǎng)所。對(duì)原竹結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件進(jìn)行研究，是推動(dòng)其發(fā)展和促進(jìn)原竹結(jié)構(gòu)新型開發(fā)的必要途徑。

原竹兩端的連接是原竹結(jié)構(gòu)中的重要因素。結(jié)點(diǎn)的常見形式有：①穿斗式節(jié)點(diǎn)；②棕繩捆綁；③鋼板連接；④螺栓連接；⑤套筒連接等。其中穿斗式節(jié)點(diǎn)較容易發(fā)生劈裂。棕繩捆綁的優(yōu)勢(shì)在于操作方便，但缺點(diǎn)是容易腐爛和松弛，且承擔(dān)能力有所欠缺。鋼板連接是將中心鋼構(gòu)上的鉆孔鋼板和各根原竹利用螺栓進(jìn)行連接。螺栓連接是利用原竹連接形成受力整體，如卡扣和鋼筋掛鉤等，將水泥砂漿灌注到節(jié)點(diǎn)區(qū)域的原竹空腔內(nèi)，可以有效保持節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和剛度。套筒連接的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)中心構(gòu)件和任意角度進(jìn)行連接。鋼板連接和套筒連接適用于多根竹材交于一點(diǎn)時(shí)。Albermani等對(duì)新型的中心構(gòu)件和樹脂套筒進(jìn)行了研究，免去圓竹在連接時(shí)的打孔程序，降低了劈裂破壞對(duì)竹材端部造成的破壞。

2.2 竹筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前，鋼筋已經(jīng)逐漸被竹筋替代，并廣泛應(yīng)用于建筑工程中，早期竹筋由于防水防腐的處理失誤，導(dǎo)致之前竹筋混凝土構(gòu)件不具有滿意的耐久性和強(qiáng)度。因?yàn)橹窠顩]有防水處理會(huì)在澆筑時(shí)吸水，而隨著混凝土的逐漸干燥，會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致竹筋的干縮，使其脫離與混凝土，造成很差的粘結(jié)。隨著各國(guó)學(xué)者對(duì)竹筋防水防腐的研究，防水防霉涂層材料誕生了，并對(duì)其進(jìn)行了防水防霉竹筋混凝土構(gòu)件的研究。結(jié)果證明，在防水措施有效處理后，混凝土構(gòu)件因?yàn)橹窠疃a(chǎn)生了更顯著的承載力，在實(shí)際工程中，竹筋混凝土建筑業(yè)開始大量建造。

通過對(duì)材料Sikadur32-gel進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其不僅能對(duì)防水防腐起到有效作用，還能使混凝土和竹筋的粘結(jié)力加強(qiáng)，進(jìn)一步加大竹筋混凝土構(gòu)件的承載力。目前為止，少數(shù)竹筋混凝土建筑仍在各地留存，但對(duì)其拆除后發(fā)現(xiàn)，竹筋混凝土構(gòu)件的承載力沒有達(dá)到實(shí)際目標(biāo)，但其中存在良好的部分構(gòu)件，也未發(fā)現(xiàn)腐爛情況，所以，竹筋混凝土未來的長(zhǎng)期性能是值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

3 工程竹的應(yīng)用研究

工程竹根據(jù)不同工藝可以分為：①合成竹材；②竹席膠合板；③平行層竹材；④竹簾膠合板；⑤竹簾竹席復(fù)合膠合板等，其被廣泛用于與地板材料和裝飾板材中。

3.1 結(jié)構(gòu)加固中工程竹的應(yīng)用

經(jīng)過研究人員對(duì)粘貼膠合竹板進(jìn)行抗彎加固木梁實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，木梁在加固膠合竹板后，明顯提升了其初始彎曲剛度和受彎承載力。在混凝土空心板通過粘貼膠合竹板的加固后，其加固不同厚度的粘貼空心板，都不同程度的提高了極限荷載和開裂荷載，提高幅度跟膠合竹板的寬度和厚度有直接影響。在對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固粘貼膠合竹板后，其明顯提高了極限承載力，并降低了極限位移。今后，還需對(duì)混凝土構(gòu)架加固后的耐久性能、長(zhǎng)久性能和作用技能做出深入研究，以為其設(shè)計(jì)方案和施工工藝做出相應(yīng)的計(jì)劃。當(dāng)前，在土木工程中，竹與玻璃鋼復(fù)合建筑材料是屬于超混合和復(fù)合材料，其建筑結(jié)構(gòu)是以天然竹子作為主要承力結(jié)構(gòu)，在增加玻璃纖維以后，其整體性能可以大大提高，并且，在添加相關(guān)填充劑、添加劑以后，這種材料經(jīng)過特殊的加工工藝，可以成為一種新型三維符合材料。

3.2 竹纖維的研究

竹纖維已經(jīng)逐步應(yīng)用到了土木建筑工程中，通過對(duì)竹纖維混凝土不同摻量的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)表明，混凝土因?yàn)閾饺胫窭w維而增加其延性和抗拉強(qiáng)度。其中，在深入竹纖維的混凝土進(jìn)行研究時(shí)指出，摻入竹纖維對(duì)其抗彎強(qiáng)度沒有產(chǎn)生過大影響，但對(duì)其混凝土微縫隙的控制具有一定的作用。在對(duì)竹纖維混凝土的研究中發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土墻面相比，竹纖維混凝土墻面的延緩開裂和抗彎抗拉方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。總之，未來應(yīng)當(dāng)對(duì)工程中的生產(chǎn)工藝和力學(xué)性能進(jìn)一步優(yōu)化，使其在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)方面做出整體參考，以推動(dòng)竹材在建筑工程中的良好應(yīng)用。

4 結(jié)束語

總之，竹材是一種可再生且十分優(yōu)越的生態(tài)材料，具有良好的環(huán)保性能和力學(xué)性能。在土木工程建造中，竹材具有廣泛的應(yīng)用，如材料裝飾、模板、土體加固、施工腳手架等。經(jīng)過不少學(xué)者對(duì)竹材的努力研究，使竹材的結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能都有足夠的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其在土木工程中的廣泛應(yīng)用具有良好的基礎(chǔ)作用，但對(duì)于其中的一些關(guān)鍵技術(shù)還需進(jìn)一步研究和總結(jié)，這也是目前很多研究學(xué)者們?nèi)栽谂Φ恼n題。

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TU531.3

A

2095-2066（2016）32-0266-02

2016-11-2

時(shí)延昭（1997-），男，2015年6月畢業(yè)于山東省濟(jì)南市章丘四中，同年考入中南大學(xué)（湖南省長(zhǎng)沙市）就讀于土木工程學(xué)院，工程力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)擔(dān)任土木工程學(xué)院科創(chuàng)中心宣傳部部長(zhǎng)。