郝際平，寇躍峰，田黎敏，趙秋利，何晗欣

(1. 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2. 廣州固保系統(tǒng)建筑材料有限公司，廣東 廣州 510070)

我國竹類資源豐富，竹子種類和竹林面積約占世界的1/4，竹材產(chǎn)量約占1/3，居世界之首[1]．竹材的物理性能優(yōu)良，其抗拉強度約為木材的2倍，抗壓強度高出木材10%左右，比強度為鋼材的3～4倍[2]．然而，原竹在材料勻質、幾何規(guī)則及防腐防火等方面存在缺陷，目前多以集成重組的形式來利用[3-6]，限制了竹結構的發(fā)展．課題組[7,8]提出在原竹外包裹噴涂復合材料形成組合結構，以彌補其缺陷．該結構質輕、抗震性能好、綠色環(huán)保，而且有良好的保溫、隔熱及耐火等性能，可廣泛應用于我國農(nóng)村低層住宅建筑中，同時可以緩解目前鋼材、木材等建筑材料短缺的局勢，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，具有深遠的社會意義和經(jīng)濟效益．

輕質、環(huán)保是未來建筑發(fā)展的兩大方向．其中樓板所占重量較大，有效控制其自重對降低整棟建筑物的重量十分關鍵[9]．原竹與噴涂材料組合在一起形成的噴涂復合材料-原竹組合樓板，可有效解決自重過重的問題．本文設計制作了一種噴涂復合材料-密布原竹組合樓板并對其抗彎性能進行了試驗研究和分析．

1 試驗方案

1.1 試件設計及制作

本次試驗樓板模型長度為2 000 mm，寬度為690 mm，厚度為240 mm．將7根直徑為90±2 mm原竹并排，通過頂部、底部直徑為50±1 mm的橫向原竹和螺栓連接成竹筏狀骨架，如圖1所示，原竹的截面尺寸見表1所示．然后在原竹上噴涂復合材料，最后在組合樓板的兩側涂抹10 mm厚抹面砂漿．

圖1 樓板制作過程 (單位: mm)Fig.1 Working process of specimens (unit: mm)

原竹試件尺寸/mm外徑D內(nèi)徑d壁厚t長度l縱向原竹9070102 000橫向原竹50405690

1.2 材料

1.2.1 噴涂復合材料及抹面砂漿

噴涂復合材料由灰漿混合料、聚苯乙烯顆粒和礦物基黏合劑等組成，通過噴涂方式施工，快速初凝，具有一定強度，并兼有良好保溫、隔聲以及耐火等性能[7-9]．參照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[10]中的試驗方法，對噴涂復合材料及抹灰的抗壓強度、彈性模量等性能參數(shù)進行測試，結果見表2．

表2 噴涂復合材料及墻體抹灰材性

1.2.2 竹材

本次試驗所用竹材為浙江產(chǎn)4年生毛竹．在原竹立地處從不少于100株樣竹中選取7株胸徑約為90 mm和4株胸徑約50 mm的成熟、無缺陷的樣竹．每株從胸徑以上截取滿足長度和直徑要求的竹材．按照JG/T199-2007《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》[11]要求對原竹進行力學物理性能測試，測試結果見表3.

表3 竹材材性數(shù)據(jù)

1.3 加載方案

本次試驗在西安建筑科技大學結構工程實驗室完成．試驗采用在樓板三分點處集中加載的方式，見圖2．試驗首先預加載2 kN，然后進入正式加載階段．試件屈服前采用荷載控制，分級加載，每級3 kN維持2 min；試件屈服后采用位移增量控制，每級3mm，直至試件破壞．

1.4 測試內(nèi)容

試驗位移計布置如圖2所示，位移計D1～D5沿樓板長度方向布置，用來測量樓板在支座處、分配梁加載處及跨中處的豎向位移；位移計D6、D7布置在樓板跨中邊側，用于測量其豎向位移．

試件應變測點布置見圖3，用于測量樓板關鍵位置處原竹的應變，其中，原竹上側測點編號為奇數(shù)，下側為偶數(shù)．

圖2 位移計布置圖 (單位: mm)Fig.2 Arrangement of displacement gauges (unit: mm)

圖3 應變片布置圖 (單位: mm)Fig.3 Arrangement of strain (unit: mm)

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

加載初期，撓度隨荷載變化緩慢，整體工作性能較好．當荷載為7 kN(約5.6 kN/m2)時跨中撓度值為0.56 mm(l/3 214，l為樓板計算跨度1 800 mm)．荷載達到10 kN(約8 kN/m2)時，跨中撓度為0.81mm (l/2 222)．繼續(xù)加載，樓板底面出現(xiàn)大量微小裂紋，樓板整體出現(xiàn)較明顯的彎曲變形，如圖4(a)．當跨中撓度達到GB50005-2003《木結構設計規(guī)范》[12]限值l/250(7.2 mm)時，荷載為29 kN．隨后樓板底面裂縫寬度增加，如圖4(b)．當加載到48 kN時，東西兩端原竹與噴涂材料之間出現(xiàn)較明顯滑移，如圖4(c)所示．當荷載加到85 kN時，橫向原竹劈裂，如圖4(d)所示．加載至96 kN時，樓板南側跨中發(fā)出兩聲巨響，兩根原竹下側斷裂，如圖4(e)和4(f)所示，荷載迅速下降．

2.2 應變分析

采用電阻應變片記錄原竹上下側的應變變化情況，結果如圖5所示．試件在不同荷載作用階段，原竹各測點的應變情況如圖6所示，其中上側曲線表示原竹頂部應變，下部曲線表示原竹底部應變．分析圖5及圖6可知，在試件破壞前，各測點應變基本呈現(xiàn)線性變化趨勢．加載初始，原竹頂部應變與底部應變一致為拉，表明此時樓板整體性良好，原竹上側噴涂材料承壓；之后頂部應變開始為壓，表明噴涂材料逐漸與原竹剝離，上側原竹逐漸承壓，樓板中性軸位于原竹水平中軸上側；當荷載達到一定值時，噴涂材料大面積剝落，退出工作，此后壓力基本由原竹上半部分承擔，此時樓板中性軸下移到原竹中軸附近．

圖4 樓板破壞情況Fig.4 Failure modes of the slab

圖5 各測點P-ε曲線Fig.5 Load-strain curves on monitoring points

圖6 不同荷載階段作用下的P-ε曲線Fig.6 Load-strain curves under different load levels

2.3 撓度分析

參考文獻[13]，試件在豎向荷載作用下，跨中撓度實際值按下列公式進行計算：

(1)

(2)

(3)

1-5號測點實測位移值如圖7(a)所示，根據(jù)各級荷載下各測點的位移實測值，按式(1)～(3)計算樓板跨中實際撓度值，結果如圖7(b)所示．可知，在加載初期樓板抗彎剛度較大，曲線呈線性快速上升，此時噴涂復合材料與原竹的組合效應較好．當荷載超過12 kN后，曲線變緩，主要是因為噴涂材料逐漸開裂剝離，與原竹協(xié)同作用變?nèi)酰瑯前鍎偠冉档停奢d達到峰值前，樓板跨中3號、6號和7號測點撓度值基本相同，說明試驗實際加載較為成功，樓板未出現(xiàn)扭轉．荷載達到極值后，由于南側原竹斷裂，樓板整體傾斜，樓板跨中撓曲由北到南(沿測點6→3→7方向)逐漸增大．荷載達到峰值(95 kN)時，樓板跨中撓度為46 mm(l/39)．

圖8給出了試件在各級荷載作用下其撓曲變形的發(fā)展情況．圖中橫坐標為試件上各點距樓板跨中的距離；縱坐標為樓板撓度．其中95 kN為峰值荷載．由圖可知，樓板在整個加載過程中豎向變形基本呈正弦半波的形式．由于組合樓板是由多根原竹組成，部分原竹斷裂后，剩余原竹依仍能承擔一定荷載．

圖7 荷載-撓度曲線Fig.7 Load-displacement curves

圖8 不同荷載階段的撓度發(fā)展Fig.8 Development of displacement under different load levels

2.4 受彎承載力

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009-2012[14]要求計算得樓面最不利荷載組合為6.5 kN/m2．試驗組合樓板撓度達到木結構規(guī)范規(guī)定的的限值l/250(7.2 mm)時，荷載為29 kN(約23 kN/m2)，為最不利荷載組合的3.5倍，滿足正常使用要求．可知在規(guī)范所允許的撓度限值內(nèi)，噴涂復合材料-密布原竹組合樓板可作為建筑樓板使用．

3 結論

通過對噴涂復合材料-密布原竹組合樓板受彎試驗的整理和分析，得到了荷載-撓度的關系曲線，荷載-應變的關系曲線以及受彎承載力情況，得出如下結論：

(1)試驗結果表明竹材與噴涂材料組合效應良好，在正常使用荷載作用下?lián)隙戎翟谝?guī)范所允許的范圍內(nèi)，可以作為土木建筑樓板使用；

(2)噴涂復合材料-密布原竹龍骨組合樓板組合方式比較理想，大大提高了原竹樓板的抗彎剛度；

(3)從荷載-撓度曲線看出，該類組合樓板在其正常使用條件下的承載力應由其變形條件控制；

(4)材料在破壞前一直屬于彈性范圍，因此可不考慮塑性狀態(tài)；

(5)樓板的變形能力極強，最終承載力也非常大，抗震性能非常突出．