彭 亮， 黃漢霄，孫曉東

(1.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院， 湖南 長沙 410004)

竹子是全球重要的森林資源之一，具有產量大，可再生，生長周期短及生長速度快等優(yōu)點，三到四年即可成材[1-3]。作為結構材料，竹材具有優(yōu)異的韌性，高比強度以及綠色環(huán)保等優(yōu)良特性[4-5]，但作為一種很有前途的木材替代品，其利用卻受到竹竿直徑和剛性的限制[6]。如今，工業(yè)竹結構材料不斷多樣化，如：膠合竹、重組竹、竹層積板、竹簾建筑板等[7-9]，這種通過拆散再結合的方式，解除了竹材制備大幅面結構材料的限制，使其作為建筑結構材料具有極大的應用潛力。

魏洋等[10]通過采用一定規(guī)格的竹篾組坯層壓制備竹質方梁，并研究了其抗彎性能，并指出竹質方梁具有較優(yōu)的抗震性能，滿足結構工程的要求。喻云水等[11]研究以慈竹為原料的竹質工字梁，并進行了抗彎性能試驗，研究結果表明：竹質工字梁最大承載力可達120 kN，具有較高的剛度，但工字梁翼緣與腹板處的螺釘在載荷達20 kN時便發(fā)生拔出現象，可靠性及連接有效性較差。單波等[12]研究了以竹膠合板為基材的竹結構工字梁，但由于其需要使用鋼板加固，在實驗過程中鋼材和竹材力學性能差異性較大，造成連接處易于發(fā)生破壞。

為了充分利用竹材本身的特性，本研究以毛竹為原料，利用層積熱壓組坯的方法制備竹質方梁。采用兩端簡支，在梁跨三分點處進行兩點加載的方法，研究了6 m和3 m竹質方梁的抗彎力學性能及破壞過程，以期為大跨度的竹質方梁應用于建筑領域提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

毛竹Phyllostachysedulis采自湖南省益陽市桃江縣竹林，將毛竹加工成長1 000 mm、寬20 mm、厚4～8 mm的竹條，并通過刨切去除其竹青和竹黃。以涂膠方式施加酚醛樹脂膠黏劑，齒接接長(齒接是竹條接長的方式，齒接處是短竹條與短竹條接長的部位)采用相鄰層相互平行的方式組坯，分別制備成尺寸為(6 000 mm×154 mm×100 mm)和(3 000 mm×154 mm×100 mm)的竹質方梁，其中熱壓參數為熱壓溫度130 ℃、熱壓壓力1.2 MPa、熱壓時間2 h。圖1為竹質方梁制備流程圖。

1.2 試驗方法

1.2.1 實驗儀器

(1)反力架-10 T：最大承載能力10 T，立柱寬度975 mm，湘潭昭源機電有限公司。

(2)單作用千斤頂：型號SL-RC-20 T，行程210 mm，上海頂力千斤頂制造廠。

(3)拉壓力傳感器：型號BLR-1，規(guī)格20 T，上海誠知自動化系統(tǒng)有限公司。

1.2.2 加載方式和計算方法 圖2為竹質方梁試驗加載示意圖，試件采用兩端簡支，通過液壓千斤頂加載經分配梁傳載的方式，對試件進行兩點加載，兩點間的距離為跨中距，跨中距內為竹質方梁的純彎段，試件荷載通過液壓油缸下部力學傳感器測定，撓度通過百分表測定。試件跨中距的計算按照結構用集成材標準《GB/T 26899-2011》，公式如下：

(1)

式中:S為竹質方梁跨中距(mm)；l為竹質方梁總長(mm)。

實驗中，3 m竹質方梁標記為L-3，兩支座間跨距為2 600 mm，跨中距為600 mm，預載1 kN，對試件采用分級加載，每級加載5 kN；6 m竹質方梁標記為L-6，兩支座間跨距為5 600 mm，跨中距為1 333 mm，預載1 kN，對試件采用分級加載，每級加載1 kN。

竹質方梁彈性模量和抗彎強度的計算方法符合竹材物理力學性質試驗方法《GB/T 15780-1995》。彈性模量公式如下：

(2)

式中: Ew為竹質方梁彈性模量(MPa)；P為撓度-載荷曲線中直線段的上、下限載荷之差(N)；L為兩支座間的跨距(mm)；b為竹質方梁寬度(mm)；h為竹質方梁高度(mm)；f為上、下限載荷間的竹質方梁變性值(mm)。

靜曲強度公式如下：

(3)

式中: σbw為竹質方梁靜曲強度(MPa)；Pmax為破壞載荷(N)；L、b、h同上。

1.2.3 測量內容

破壞載荷測量：采用力學傳感器測量。

撓度測量：測量試件在兩個支座、兩個加載點以及一個中點的豎向位移，采用百分表進行讀數。

2 分析與討論

2.1 6 m竹質方梁撓度變化分析

表1為6 m竹質方梁撓度測試結果，圖3和圖4分別為根據表1繪制的撓度分布與發(fā)展圖和跨中載荷-撓度曲線圖。實驗初期，在加入分配梁與預載1 kN再卸載后，試件L-6均產生豎向位移，這是由于竹質方梁跨距較大，在分配梁自重和載荷作用下發(fā)生彎曲。當載荷達到7 kN時，豎向位移達86.97 mm。由圖4可知，在整個加載過程中，竹質方梁載荷-撓度始終呈線性發(fā)展，載荷沒有發(fā)生波動，表明了L-6竹質方梁在整個測試過程始終處于彈性變形區(qū)間，繼承了竹材本身良好的韌性[13]，在整個實驗過程中沒有發(fā)生破壞。根據圖4所示結果，利用公式(2)計算竹質方梁的彈性模量，結果表明， L-6竹質方梁的彈性模量為10261.24 MPa,但其約6 m長的跨距仍然較大，易受載荷產生形變，實際應用時可考慮加大竹質方梁截面尺寸。

2.2 3 m竹質方梁抗彎強度分析

為了進一步探究竹質方梁的抗彎強度及破壞載荷，采用3 m竹質方梁L-3進行測試。對于L-3，加入分配梁后采用預加載1 kN后卸載的方式以抵消竹質方梁自重的影響，當載荷加載至15 kN時，L-3竹質方梁發(fā)出內部膠層撕裂的微弱響聲；隨著載荷不斷增大，竹質方梁發(fā)生明顯彎曲；當載荷超過30 kN后，竹質方梁不斷發(fā)生膠層撕裂，但其外表面并未出現破壞現象。

表1 6 m長竹方梁撓度測試結果Tab.1 The deflection of 6 m laminated bamboo block 載荷/kN豎向位移/mm12345000000x-0.064.825.204.85-0.05x-1-0.085.365.805.41-0.051-0.1315.4016.6315.58-0.072-0.1525.2027.3225.50-0.103-0.1736.3140.3236.75-0.144-0.1846.7451.6447.38-0.195-0.1957.8063.6158.64-0.226-0.2168.2774.9669.30-0.247-0.2379.3786.9780.59-0.26 注: x為加入分配梁后竹方梁的豎向位移; x-1為預先加載1 kN后卸載的豎向位移;百分表1,2,3,4,5按照圖由左向右安裝。

當載荷達到48.8 kN時，竹質方梁受拉面出現裂紋，部分構件齒接處發(fā)生開裂；當載荷增加值52 kN時，竹質方梁發(fā)生破壞，實驗終止。觀察可得，L-3竹質方梁主要破壞特征為：受拉面膠層界面發(fā)生破壞，裂紋從竹節(jié)處發(fā)展，并沿竹單元纖維排布方向蔓延，最終導致破壞。實驗結果表明，L-3竹質方梁的破壞載荷為52 kN，靜曲強度為85.51 MPa，此結果與馬尾松和杉木等常用建筑木材相近[14]，符合建筑結構標準 GB50005-2017。

2.3 3 m竹質方梁破壞特征

研究材料的破壞特征對材料制備工藝的進一步優(yōu)化十分重要。由圖5可以看出，竹質方梁在破壞初期，裂紋主要在竹節(jié)和膠合界面處開展，且破壞均發(fā)生在的載荷最大[15]。破壞初期，裂紋由竹節(jié)處產生，并沿纖維之間的結合界面?zhèn)鬟f，并在竹單元間的膠合界面處擴散，最終使竹質方梁組成單元間相互剝離而破壞，其現象符合各向異性材料的破壞和裂紋擴展特征[16]。從破壞和裂紋擴展特征顯示，竹質方梁的破壞均發(fā)生在組成結構中的薄弱部位，這主要和竹材本身結構及組成有關。竹材含維管束和薄壁組織兩種主要的組成單元[17]，其中維管束起主要支撐作用，力學性能較優(yōu)，而薄壁組織力學性能相對較低，這種“強弱界面”交替組合的方式有助于竹材破壞時的裂紋引導擴展的作用，以增強竹材的斷裂韌性[18]。竹質方梁很好的繼承了竹材本身的特性，因此，竹質方梁在破壞時，其破壞程度隨著裂紋的擴展循序漸進，沒有發(fā)生瞬間垮塌。此外，竹質方梁在破壞過程中不斷發(fā)出的聲響，可為人們提供足夠的預警時間。

Fig.5 The failure characteristics of laminated bamboo block of lateral surface (left) and lower surface (right)

3 結論

(1)竹質方梁保留了竹材具有優(yōu)良韌性的特點， 6 m竹質方梁可在彎曲時豎向位移高達86.97 mm而不發(fā)生破壞，彈性模量可達10 261.24 MPa。只需施膠熱壓即可成型，制備工藝簡單，可靠性優(yōu)于竹質工字梁。但是由于竹質方梁在大跨度時容易受載荷而產生形變，實際應用時可考慮加大竹質方梁截面尺寸。

(2)3 m竹質方梁破壞載荷為52 kN，靜曲強度為85.51 MPa，與杉木、馬尾松等常用建筑木材相近，符合木結構設計標準GB50005-2017。竹質方梁總體破壞主要發(fā)生在竹質方梁受拉面的竹節(jié)和膠合界面等薄弱處，這是由于竹質方梁繼承了竹材原本的特性，“強弱界面”的交替形式有效的延緩裂紋的擴展，使竹質方梁免于瞬間垮塌。

(3)在實際應用時，建議在竹質方梁的組坯工藝上做進一步改善，將齒接與齒接、竹節(jié)與竹節(jié)、膠合界面與膠合界面間采用交錯組坯的形式，進一步延長裂紋擴展的自由路徑，以提高竹質方梁抵抗破壞的能力。