柏文峰，白 羽，梁煜明，劉中偉，蘇何先，賴正聰

（1.昆明理工大學 建筑與城市規(guī)劃學院，云南 昆明650051；2.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明650051；3.北京2022冬奧會和冬殘奧會組織委員會場館規(guī)劃建設部，北京102022）

《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》［1］明確提出，在有條件的農(nóng)村地區(qū)推廣輕型鋼結構、現(xiàn)代木結構裝配式農(nóng)房。目前，較為成熟的裝配式農(nóng)房技術包括輕型木結構和冷彎薄壁型鋼結構。輕型木結構的墻體構造是用構件斷面較小的規(guī)格材作為墻骨架，然后把木基結構面板或石膏板直接用鐵釘固定在墻骨架上形成剪力墻［2］；冷彎薄壁型鋼結構是由輕型木結構體系演變而來［3－4］，用冷彎薄壁型材替代輕型木結構體系中的木骨架就形成了冷彎薄壁型鋼結構。這兩種結構體系均為墻承重結構，墻體面板采用木基結構面板或石膏板，這兩種板材均為工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品，產(chǎn)品內含能量較高，不符合綠色農(nóng)房建設應采用“綠色的、經(jīng)濟的、鄉(xiāng)土的建材產(chǎn)品的要求”［5］。

在森林退化與環(huán)境破壞問題日益嚴重的今天，竹子作為生態(tài)、環(huán)保、可再生資源，正受到越來越廣泛的關注。原竹結構和竹集成材結構是現(xiàn)代竹建筑發(fā)展的兩個方向［6－14］。現(xiàn)代原竹建筑直接利用竹竿作為結構桿件，原竹桿件粗細不同、壁厚不一，導致節(jié)點連接復雜，難于工業(yè)化、標準化生產(chǎn)?；谏罴庸ぜ夹g的竹集成材建筑是將原竹打蔑加（浸）膠，壓合成型材，然后切割、膠合、加工成建筑構件，再由構件組合成結構，其優(yōu)點是構件規(guī)格統(tǒng)一，物理力學性能較為穩(wěn)定。就農(nóng)房建設而言，竹集成材的最大缺點是加工程序復雜，原料價格為常見木材價格的兩倍，沒有推廣應用的價值。既有的現(xiàn)代竹建筑的兩個方向都不能適應綠色農(nóng)房建設的需要，需另辟蹊徑，研發(fā)以產(chǎn)業(yè)化為目標的低能耗、低造價的新型竹結構。

木骨架正交斜放竹條覆面墻板是國家科技支撐計劃項目課題《原竹結構體系研究及工程示范》的研究成果，其技術特點是采用雙向正交斜放的竹條替代輕型木結構和冷彎薄壁型鋼結構墻體的木基結構面板或石膏板。本文通過對2組共計6塊木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板進行抗剪承載力試驗，與另一組輕型木結構墻板的抗剪能力進行對比，驗證技術的優(yōu)越性，為此類構件的工程應用和深化研究創(chuàng)造條件。

1 模型制作與試驗設計

1.1 結構原理

采用小截面鋸材制作墻板骨架（圖1），把非標準的原竹桿件加工成規(guī)格統(tǒng)一的竹條，相鄰竹條靠緊按照正交斜放的方法把竹條按一定傾角用氣釘固定在骨架一側（圖2），形成木骨架正交斜放竹條覆面墻板?；谥駢Π宄惺茈p向水平地震作用的特點，經(jīng)過ANSYS軟件建模分析（圖3），得到正交竹條斜放不同傾角在水平地震作用下的墻板頂部側向位移曲線（圖4）。分析結果表明，在給定側向力的前提下，竹條與木骨架夾角在40°～50°之間時，側向變形相對最小，考慮施工方便，取45°。

圖1 墻板骨架加工圖Fig.1 The wooden framework of hybrid panel

圖2 安裝竹條Fig.2 Installing bamboo on the wooden framework

1.2 模型制作

試驗墻板模型A、B、C共3組，每組3塊墻板。墻板長3 000mm、高2 400mm，木骨架采用截面40mm×140 mm的鋸材制作，鋸材采用加拿大冷杉。骨架鋸材交匯處用2根80 mm長鐵釘連接固定，骨架尺寸詳圖5。A、B組墻板為木骨架單側正交斜放竹條覆面，竹條寬度40 mm，厚度10 mm，竹條與鋸材木骨架疊合處用4顆T50氣釘把竹條固定在木骨架上，木骨架正交斜放竹條覆面墻板制作完成（圖6）。C組為木骨架單側12 mm厚木基結構板材覆面，按照《木結構設計標準》［15］中輕型木結構構造要求，用長度60 mm的鐵釘把木基結構板材牢固的釘在木骨架上，墻板外邊緣處鐵釘間距150 mm，中間支座處的鐵釘間距300 mm。

在水平和豎向荷載作用下，墻板的竹條主要承受順紋的拉力或壓力。竹條順紋抗拉能力很高，接近鋼材，竹條抗壓能力約為抗拉能力的1/4，優(yōu)于木材，因此，木骨架正交斜放竹條覆面墻板充分利用了竹材的天然力學優(yōu)勢。為節(jié)約木材，試驗模型采用了600 mm的豎向骨架間距，豎向骨架之間設置橫撐。竹條采用貫通式，在墻板范圍內沒有接頭。骨架之間竹條最大自由長度為792 mm，由于竹條厚度僅有10 mm，在順紋受壓時容易失穩(wěn)［16］，順紋抗壓強度不能得到充分利用，估計墻板的最終破壞模式可能是由于竹條受壓屈服導致墻板側向失穩(wěn)。

圖3 竹條使用link 8單元建模Fig.3 Modeling bamboo strip using link 8 units

圖4 竹條與骨架邊緣夾角變化與墻板頂部側向位移曲線Fig.4 The lateral displacement of the hybrid panel changing with the different angle between the bamboo strip and framework

圖5 木骨架構造圖Fig.5 The engineering graph of the wooden framework

圖6 木骨架正交斜放竹條覆面墻板制作完成Fig.6 The completed hybrid panel

墻板骨架鋸材采用加拿大冷杉，木材等級為2級，其力學性質見表1。竹條力學性質見表2。木基結構板采用B級結構膠合板，厚度12 mm。

表1 加拿大冷杉強度設計值及彈性模量Tab.1 The designed strength value and elasticitymodulus of Canadian fir

1.3 試驗設計

試驗分3組進行。首先對A組3片木骨架正交斜放竹條覆面墻板進行推覆試驗，通過單向推覆試驗，初步了解木骨架正交斜放竹條覆面墻板在豎向荷載和水平荷載作用下的反應，獲得木骨架正交斜放竹條覆面墻板在單向荷載作用下最大水平承載力及水平向的最大變形能力，同時也為后續(xù)低周反復試驗控制參數(shù)確定提供參考。依據(jù)推覆試驗所得到的木骨架正交斜放竹條覆面墻板最大變形能力，確定出低周反復試驗位移控制參數(shù)，然后對B組墻板進行試驗，通過低周反復試驗模擬木骨架正交斜放竹條覆面墻板在豎向荷載和水平地震荷載作用下的反應，研究其在地震荷載作用下的破壞過程、破壞形態(tài)、滯回曲線和骨架曲線的特征以及墻板的抗震承載力（極限抗剪強度）和變形能力等抗震能力參數(shù)。最后通過與同樣尺寸規(guī)格的C組3塊墻板的低周反復試驗結果進行對比，進一步驗證木骨架正交斜放竹條覆面墻板在抗震性能方面的優(yōu)越性。

表2 竹條主要力學性質表Tab.2 Themain mechanical properties of bamboo strip

試驗采用墻頂加載方案，豎向荷載為36.5 kN，利用液壓千斤頂施加，通過分配梁分配到墻頂，液壓千斤頂頂部放置滾軸，以保證在豎向荷載不變的情況下，墻板頂端可以產(chǎn)生水平位移。試驗時，豎向荷載一次加至設計荷載并一直保持到試驗結束。豎向荷載是根據(jù)二層承重竹條覆面墻板房屋的實際尺寸，按樓面為輕質樓面，屋面為木質屋面房屋的實際荷載計算得到［17］。單向推覆試驗和低周反復荷載試驗均采用門式反力架作為豎向加載的反力基座，液壓千斤頂豎向加荷，分配梁將單點集中荷載轉化為墻頂均布荷載。以反力墻作為水平加載的反力基座，通過電液伺服作動器施加水平荷載。加載時采用位移控制，單向推覆試驗位移加載速率為0.1 mm/s；低周反復荷載試驗加載分為3個階段：在峰值位移分別達到0.012 5Vm、0.025Vm、0.05Vm、0.075Vm和0.1Vm時，荷載循環(huán)為一次；第二階段，峰值位移分別達到0.2Vm、0.4Vm、0.6Vm、0.8Vm、1.0Vm和1.2Vm時，每個峰值下的循環(huán)次數(shù)為3次；第三階段，側向位移超過1.2Vm后，每一級位移增量0.2Vm，荷載循環(huán)次數(shù)為3次，直至墻板破壞為止。其中Vm為單向推覆試驗獲得的墻板極限位移值。

墻板抗震試驗需要測量墻板變形，反應結構位移及延性。加載對應位置，利用位移計測量墻端位移，墻板底部、墻板中部布置位移測點。位移測點編號及布置見圖7，安裝就位的墻板見圖8。

圖7 位移測點布置圖Fig.7 The layout of displacementmeasuring points

圖8 安裝就位的木骨架正交斜放竹條覆面墻板Fig.8 The hybrid panel in preparation for experiment

2 試驗結果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

試驗墻板的破壞主要表現(xiàn)在3個方面：第一，覆面材料與木骨架之間的連接破壞；第二，覆面材料斷裂破壞；第三，木骨架底梁破壞。

首先對A組墻板進行了單向推覆試驗。在水平推力作用下，木骨柱之間承受壓力的竹條首先發(fā)生平面外凸鼓（圖9），損壞區(qū)域主要集中在墻板受壓向的斜對角范圍，隨水平荷載繼續(xù)增加，竹條外鼓程度和范圍都不斷擴大，少量竹條發(fā)生斷裂，部分竹條出現(xiàn)釘接破壞，最后木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板均以木底梁斷裂或劈裂而完全破壞（圖10）。

圖9 擱柵跨中竹條端部翹起Fig.9 The warped bamboo strips across the joist

圖10 木底梁斷裂破壞Fig.10 The cracked wooden beam at the bottom

在低周反復荷載作用下，B組墻板也是竹條發(fā)生平面外凸鼓。因受反復荷載作用，內外兩層竹條均出現(xiàn)外鼓（圖11），隨水平荷載繼續(xù)增加，墻板竹條外鼓程度和范圍都不斷擴大，部分竹條端部出現(xiàn)釘接破壞（圖12），最后水平承載力明顯降低或底梁破壞而結束試驗。

圖10 竹條端部發(fā)生拔釘破壞Fig.10 The failure between the bamboo trips and nails

圖11 墻板內層和外層竹條翹曲Fig.11 The warp of inner and outer bamboo trips of hybrid panel

C組墻板為對比組墻板，在反復荷載作用下，首先出現(xiàn)木基結構板材與木骨架釘接破壞，隨水平荷載增加，木基結構板材分塊與木骨架脫離，大部分連接鋼釘被拉脫，少量出現(xiàn)拉斷破壞。因C組1＃墻板在較低水平荷載作用下出現(xiàn)了木基結構板材與木骨架的連接破壞，試驗前對第2＃、3＃墻板進行了加強連接處理，將中間支座處的鐵釘間距由300 mm加密到150 mm。經(jīng)加強處理后的墻板水平承載力有明顯提升，其最終破壞模式與第1＃墻板相同。

圖12 1#墻板木基結構板與木骨架脫離Fig.12 The separation between the wood-based panel and wooden frame

圖13 釘距加密后木基結構板與骨架脫離情況Fig.13 The separation after installing usingmore intensive nails

試驗結束后，木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板嚴重破壞，荷載卸除后，墻板的部分變形逐漸恢復，同時墻板仍具有較大的豎向承載能力。通過試壓得出，水平荷載極限承載力試驗后的木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板最大可承受6倍計算豎向荷載而未發(fā)生整體壓潰現(xiàn)象。而木基結構板材墻板因試驗結束后木基結構板材幾乎全部破壞，僅剩木骨架體系，所以未進行豎向承載力試驗。

2.2 荷載-位移曲線及試驗結果分析

根據(jù)單向推覆試驗所得3塊木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板的荷載－位移曲線可見（圖14），在單向推覆荷載作用下，1＃墻板頂端位移為9.64 mm時竹條覆面墻板的內層竹條出現(xiàn)外鼓（圖15），對應水平荷載69.5 kN；2＃篾竹條覆面墻板頂端位移為9.15 mm時內層竹條出現(xiàn)外鼓，對應水平荷載42.1 kN；3＃竹條覆面墻板頂端位移為11.09 mm時內層竹條出現(xiàn)外鼓，對應水平荷載62.5 kN。隨水平荷載繼續(xù)增加，竹條覆面墻板破壞程度繼續(xù)加重，最終試件均以木底梁斷裂或劈裂而完全破壞。3塊竹條覆面墻板的最大側向承載力分別為143.4、110.6、144.3 kN，其側向極限位移分別為94.2、72.3、108.1 mm。其中2＃墻板由于安裝偏差，試驗過程中出現(xiàn)平面外傾覆而停止加載，其試驗結果與其它兩塊墻板試驗結果存在較大差異。

圖14 A組墻板單向推覆荷載—位移曲線Fig.14 Load-displacement curve of group A hybrid panel in one way push

圖15 竹條受壓屈服起拱Fig.15 The bamboo strips compressed to yield arches

通過記錄試驗加載過程中的荷載和位移，繪制出B組1?！?＃墻板的滯回曲線圖（圖14）。滯回曲線所包圍面積代表加載過程中試件累積的塑性變形能，由該面積的大小，即滯回曲線（滯回環(huán)）的飽滿程度，可初步判斷試件的能量耗散能力。由1＃、3＃竹條覆面墻板得到的滯回曲線相似，正向與反向的荷載位移曲線差異非常明顯，荷載作用下，正向水平承載能力出現(xiàn)下降的情況下，墻板反向承載能力并未出現(xiàn)下降趨勢，分析發(fā)現(xiàn)1＃、3＃竹條覆面墻板在反向荷載作用時均是外層竹條受壓。與此相反，正向荷載作用下，2＃竹條覆面墻板外層竹條受壓，根據(jù)3塊竹條覆面墻板的滯回曲線可以得出，當施加荷載使墻板外層竹條受壓時，墻板在此方向的承載能力明顯高于施加荷載使內層竹條受壓方向的承載能力。從滯回曲線圖可以看出，隨著加載幅值的增加，滯回環(huán)飽滿程度有逐漸增加的趨勢，表明試件累積的塑性變形能逐漸增大，也即耗能能力不斷增加。但隨著加載幅值的增加，滯回環(huán)同時產(chǎn)生捏籠現(xiàn)象，說明竹條覆面墻板試件產(chǎn)生了水平滑動。竹條覆面墻板荷載位移曲線見圖14。通過連接各加載等級首次循環(huán)的峰值點，可得滯回曲線的包絡線，即荷載－位移骨架曲線，如圖15所示。

在低周荷載反復作用下，竹條覆面墻板的損傷同樣也是以竹條首先出現(xiàn)外鼓為標志，與單向推覆相同，墻板損傷開始時，施加于墻板頂端的最大位移值大約為10 mm，其中1＃、2＃墻板出現(xiàn)損傷的階段是控制位移為10 mm的加載周期，3＃墻板在控制位移為20 mm的加載周期內才出現(xiàn)損傷。繼續(xù)增加荷載，1＃墻竹條外鼓程度加重，并出現(xiàn)少量竹條斷裂，最后以底部橫梁斷裂而結束試驗。試驗后期，2＃墻大部分竹條均出現(xiàn)明顯外鼓變形，同樣出現(xiàn)少量竹條斷裂，部分竹條連接破壞，墻板水平承載力出現(xiàn)明顯下降的情況下停止加載?；诎踩?＃墻以部分竹條斷裂，部分竹條連接破壞，在墻板還未出現(xiàn)明顯水平承載力下降的情況下停止試驗。3塊墻板中，2＃墻板變形和承載能力發(fā)揮的更充分，正反向荷載作用下，墻板工作性能比較接近，而1＃、3＃墻板卻出現(xiàn)了明顯的一個方向承載能力強，另一個方向承載能力弱的不利現(xiàn)象，試驗后分析認為這可能與試驗墻板僅單面竹條覆面和試件自身規(guī)整性及安裝偏差等都存在一定的關系。

圖16 B組1#～3#墻板低周反復荷載作用下的荷載—位移曲線Fig.16 Load-displacement curve of group B 1＃～3＃hybrid panel under low-cycle repeated load

圖17 B組1#～3#墻板低周反復荷載作用下的荷載—位移骨架曲線Fig.17 Load-displacement curve of group B 1?！?＃wallboard under low-cycle repeated load

表3 木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板測試結果Tab.3 The test results of hybrid panelwith wooden frame covered by orthogonal oblique placement bamboo strips

作為對比試驗的C組3塊墻板在低周反復荷載作用下的滯回曲線如圖16。

圖18 C組1#～3#木基墻板在低周反復荷載作用下的荷載—位移曲線Fig.18 Load-displacement curve of group C 1＃～3＃wood-based panel under low-cycle repeated load

試驗中3片木基結構板材墻均在控制位移為5 mm加載周內出現(xiàn)木基結構板材與木骨架釘接破壞，隨荷載增加，連接破壞范圍和破壞程度不斷增加，最后木基結構板材墻均以木基結構板材覆面連接完全破壞，木基結構板材分塊脫落，試驗結束。由滯回曲線可見，1＃墻板最大水平承載力為16.6 kN，此時控制位移為20 mm，當控制位移增加至40 mm時，木基結構板材覆面大量脫落，墻板幾乎喪失水平承載能力。由于1＃墻板因木基結構板與木骨架連接破壞導致破壞過早，對2＃、3＃墻板的覆面木基結構板材連接進行加強，將中間支座處的鐵釘間距由300 mm加密到150 mm后進行試驗。由2＃、3＃墻板的滯回曲線可以看出，其水平承載能力明顯增大，側向變形能力也明顯增強。2＃墻板最大水平承載力為53.1 kN，3＃墻板最大水平承載力為50.5 kN?？梢姡珻組墻板中木基結構板與木骨架連接決定著墻板的抗震性能。

比較竹條墻板與木基結構板墻板試驗結果，竹條墻板的承載能力、變形能力以及耗能能力均顯著高于木基結構板墻板，兩種墻板最大承載力與最大位移的試驗數(shù)據(jù)對比見表2。

表4 竹條覆面墻板與木基結構板材墻板測試結果比較Tab.4 Comparison of test results between hybrid panel and wood-based panel

3 與理論計算對比分析

試驗以2層木骨架竹條覆面墻承重竹建筑為參照，墻體地震作用下的水平地震剪力計算也以此為基礎。兩層木骨架竹條覆面墻承重竹建筑的開間尺寸為3 600 mm，2 700 mm，3 600 mm，進深為6 m。樓面恒載標準值1.54 kN·m－2，屋面恒載標準值1.54 kN·m－2，墻體自重荷載標準值0.55 kN·m－2，采用底部剪力法［18］計算得到設防烈度8度（0.2 g）條件下試驗墻板承受水平地震作用為7 kN，理論計算值與試驗結果如表3。

表5 8度抗震設防條件下，最大承載力與作用之比Tab.5 The ratio ofmaximum bearing capacity to seismic force under 8-degree seismic fortification

從表3可以看出，竹條覆面墻板滿足8度抗震設防要求。由于墻板自重輕，其抗剪能力遠高于設防烈度地震施加于結構的水平作用，具有足夠的安全儲備。由試驗可知，當竹條覆面墻板達到抗剪極限承載力后，施加6倍計算豎向荷載而不發(fā)生整體壓潰。因此，在建筑抗震概念設計原則指導下，竹條覆面墻板可用于抗震設防8度區(qū)低層竹建筑的建設。

4 結論

試驗墻板的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)在3個方面：第一，覆面材料與木骨架之間的連接破壞；第二，覆面材料斷裂破壞；第三，木骨架底梁破壞。

在竹條覆面墻板單向推覆試驗與低周反復試驗中，墻板均是以受壓竹條外鼓為損壞標志，隨荷載逐漸增大，墻板損壞程度和受損范圍不斷增加。單向推覆試驗墻板最終均是木骨架底梁破壞而破壞，這主要是因底梁腳部螺栓孔多，形成局部薄弱部位，工程應用中需控制角部開孔數(shù)量。低周反復試驗中有一塊墻板底梁斷裂而破壞，其余兩墻板均以竹條斷裂、部分竹條與木骨架連接破壞而破壞，這表明在竹條覆面墻板中，骨架與竹條的連接至關重要，必須保證連接質量。

竹條覆面墻板中部分竹條斷裂后，其余竹條仍約束墻板保持整體性，維持墻板承擔水平荷載和豎向荷載的能力，因此，竹條覆面墻板具有優(yōu)越的抗剪能力和變形能力。經(jīng)低周反復試驗后的墻板在嚴重損壞情況下仍具有較大的豎向承載能力。試壓結果表明，受損墻板最大可承受6倍的計算豎向荷載而未發(fā)生整體壓潰。竹條覆面墻板建筑自重輕，承受的地震荷載比傳統(tǒng)建筑小，部分竹條的破壞可以消耗較多地震能量，這些有利因素的綜合作用使竹條覆面墻板具有優(yōu)良的抗震性能。由試驗所得墻板荷載－位移骨架曲線可知，3塊竹條覆面墻板所能承受的最大水平荷載分別是162.6、148.8、153.1 kN，遠高于理論計算所得8度設防時的地震作用7 kN，竹條覆面墻板滿足低層建筑8度抗震設防要求。用竹條代替輕型木結構的木基結構面板或石膏板，可以獲得更好的承載能力、變形能力以及耗能能力，是一項節(jié)約木材、經(jīng)濟適用的綠色建筑技術，對推動綠色農(nóng)房建設和木竹裝配式建筑發(fā)展具有積極的促進作用。

木骨架雙向正交斜放竹條覆面墻板抗剪能力與很多因素相關，如豎向木骨架間距、竹條厚度等等，還需要進一步的研究與試驗，建立墻板承載力和變形的理論計算方法。