湯春安，陳伯望

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410004)

人類歷史是以一種螺旋式的形式前進(jìn)的，在全世界關(guān)注綠色發(fā)展的今天，竹材作為一種環(huán)保的綠色材又一次進(jìn)入了現(xiàn)代建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的視野，國內(nèi)外對竹結(jié)構(gòu)的研究也越來越多[1]﹒諸多國際會議的召開與交流，為竹結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了難得的機(jī)會﹒肖巖等[2-4]對膠合竹材料的基本力學(xué)性能、抗震設(shè)計方法、構(gòu)造處理、建造方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究；李磊[5]對現(xiàn)代新型膠合竹材料蠕變性能及組合結(jié)構(gòu)蠕變進(jìn)行研究，得到了膠合竹的軸向拉壓蠕變-時間曲線，并建立其本構(gòu)模型；吳培增[6]通過抗壓、抗拉試驗，對重組竹的物理力學(xué)性質(zhì)及其破壞形態(tài)進(jìn)行了研究，并在其基礎(chǔ)上開展了蠕變試驗研究﹒整體來講，國內(nèi)外學(xué)者對竹集成材的研究還較少，且主要研究的是重組竹集成材，對于側(cè)壓竹集成材的研究更少﹒因此，在此背景下，本文對側(cè)壓竹集成材的長期受壓性能開展了試驗研究﹒

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本試驗采用的是一種由竹片經(jīng)膠合壓制而成的側(cè)壓竹集成材，它的生產(chǎn)工藝主要包括8 個步驟：竹竿破解成竹片→碳化→竹片分選→精銑→配片→單板熱壓→復(fù)合→成型加工﹒試驗材料由湖南風(fēng)河竹木科技股份有限公司生產(chǎn)加工制作完成﹒本文主要研究側(cè)壓竹柱的長期受壓性能，并 對試驗結(jié)果參考美國ASTM 規(guī)范[7]進(jìn)行驗證﹒

1.2 試件設(shè)計

本試驗的材料均來自于同一批試件，試件的截面尺寸為50 mm×50 mm，高度為200 mm，如圖1 所示﹒為了能精確地得到側(cè)壓竹長期受壓的變形值，定制了專門固定百分表的夾具，而每個試件都配備2 個夾具，固定2 個百分表，最后變形值取2 個百分表的平均值，使試驗數(shù)據(jù)更加精確﹒圖2 為固定了百分表的試件﹒國內(nèi)目前還沒有側(cè)壓竹集成材力學(xué)性能的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因此本試驗參考木材物理力學(xué)性能試驗方法﹒按照《木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329-2012)[8]，得該批側(cè)壓竹的順紋抗壓強度平均值為47.3 MPa，抗壓彈性模量為9 194.4 MPa，含水率為6.3%，密度(含水率為6.3%時的氣干密度)為0.640 g/cm3﹒

圖1 試件尺寸

圖2 固定百分表試件

1.3 試驗方法

為了保證加載的方便和試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本試驗采用單個試件加載，分3 組，每組加載不同的應(yīng)力水平，分別是順紋抗壓強度的20%，40%和60%(應(yīng)力比分別為0.2，0.4 和0.6)，見表1﹒

表1 加載方案

試驗裝置采用徐變儀﹒待試件安裝好后，先開始預(yù)加載，把荷載預(yù)加載到相應(yīng)應(yīng)力水平的20%進(jìn)行對中﹒2 個百分表的變形差值不能超過平均值的10%，假若超出此值，則應(yīng)重新調(diào)整試件位置，直到符合要求，并記錄百分表的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為試件受到此荷載下的初始變形值﹒試驗過程中應(yīng)保持荷載恒定，若出現(xiàn)卸載情況，應(yīng)及時將荷載補齊；加載過程應(yīng)采取安全措施，防止荷載過大使試件外彈，傷害人員和損壞設(shè)備﹒試驗數(shù)據(jù)記錄采用人工讀數(shù)，由于早期變形較大，第1 個月每天采集2 次數(shù)據(jù)，以后每天采集1 次數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定，并記錄好試驗場地的溫度和濕度情況﹒該試驗共觀測200 d﹒試驗加載裝置見圖3﹒

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果及分析

該試驗在中南林業(yè)科技大學(xué)的結(jié)構(gòu)實驗室完成﹒其間，對3 組壓縮試件進(jìn)行了為期200 d(經(jīng)歷了夏、秋、冬3 個季節(jié))的觀測，對試驗過程的濕度和溫度全程進(jìn)行了記錄，每組試件的壓縮變形值取2 個百分表的平均值﹒圖4～圖6 分別為相同時間坐標(biāo)軸下的變形、溫度和濕度變化曲線﹒

圖4 變形-時間曲線

圖5 溫度-時間曲線

從圖4 可以看出，軸向壓縮蠕變的變形-時間曲線明顯呈現(xiàn)出瞬態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變2 個階段，且在不同應(yīng)力水平荷載作用下，試件的變形曲線的發(fā)展趨勢基本一致，符合經(jīng)典蠕變曲線的蠕變 發(fā)展規(guī)律﹒在20%的應(yīng)力水平下，蠕變變形約7 d就達(dá)到穩(wěn)定；在40%應(yīng)力水平作用下，蠕變變形約30 d 趨于穩(wěn)定；在60%應(yīng)力水平作用下，試件瞬態(tài)蠕變階段變形很快，且在穩(wěn)態(tài)蠕變階段也難以趨于穩(wěn)定﹒因此，側(cè)壓竹集成材在＜0.4 倍應(yīng)力水平作用下變形穩(wěn)定，在＞0.4 倍應(yīng)力水平作用下變形難以穩(wěn)定，在工程應(yīng)用中應(yīng)避免長期高應(yīng)力水平﹒由圖5 和圖6 可知，溫度和濕度對側(cè)壓竹蠕變行為是有影響的，如從85～100 d，以及140～150 d，溫度急劇下降，側(cè)壓竹在高應(yīng)力水平作用下，表現(xiàn)出明顯的壓縮變形波動，這是由于溫度降低，材料含水率發(fā)生改變且呈現(xiàn)熱漲冷縮的現(xiàn)象﹒因此，在高應(yīng)力水平作用下，側(cè)壓竹集成材受到環(huán)境的影響較大﹒

圖6 濕度-時間曲線

由于中國木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范沒有對木材蠕變性能進(jìn)行相關(guān)規(guī)定，竹結(jié)構(gòu)材料也沒有規(guī)范依據(jù)，所以本文參考美國ASTM 規(guī)范[7]進(jìn)行蠕變數(shù)據(jù)驗證﹒根據(jù)ASTM D6815-02a 的規(guī)定，蠕變應(yīng)滿足：

式中：iD 是初始彈性蠕變；30D ，60D ，90D 和 200D分別是第30，60，90 和200 d 的蠕變變形；1F 是第90 d 的蠕變系數(shù)；2F 是第200 d 的蠕變系數(shù)﹒ 試驗得到的數(shù)據(jù)如表2 所示﹒從表2 可以看出，數(shù)據(jù)結(jié)果在90 d 內(nèi)均滿足規(guī)范要求；隨著試驗時間的增長，在20%和40%應(yīng)力水平作用下，試件基本能趨于穩(wěn)定，而在60%應(yīng)力水平作用下，試件變形不收斂、不穩(wěn)定，其總變形值與初始變形值之比＞2﹒這表明，本實驗在＜0.4 倍應(yīng)力水平作用下得到的試驗結(jié)果可靠，可作為側(cè)壓竹集成材柱長期受壓持續(xù)荷載取值的參考﹒

表2 蠕變數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1)側(cè)壓竹集成材軸向壓縮蠕變的變形-時間曲線明顯呈現(xiàn)出瞬態(tài)蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變2 個階段，且在不同應(yīng)力水平荷載作用下，試件的變形曲線發(fā)展趨勢基本一致，符合經(jīng)典蠕變曲線﹒

2)在＜0.4 倍應(yīng)力水平作用下，蠕變變形能快速趨于穩(wěn)定；在＞0.4 倍應(yīng)力水平作用下，試件瞬態(tài)蠕變階段變形很快，且在穩(wěn)態(tài)蠕變階段也難以趨于穩(wěn)定﹒

3)溫度和濕度對側(cè)壓竹集成材蠕變行為的影響與應(yīng)力比有關(guān)，在低應(yīng)力水平作用下幾乎沒有影響；在＞0.4 倍應(yīng)力水平作用下，表現(xiàn)明顯的變形波動﹒