于金光,郝際平,田黎敏,鄧光睿
(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)
力學(xué)性能是衡量結(jié)構(gòu)用材質(zhì)量的重要指標(biāo),也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù).竹材是一種重要的綠色資源,具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、生長(zhǎng)周期短等優(yōu)點(diǎn),在建筑行業(yè)的利用越來(lái)越廣泛.而毛竹是我國(guó)最主要的建筑用竹種,深入了解毛竹的力學(xué)性能,對(duì)充分合理利用毛竹建造結(jié)構(gòu)具有十分深遠(yuǎn)的意義.
現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)中,使用毛竹圓竹(以下簡(jiǎn)稱:圓竹)作為柱、梁等承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件,竹材力學(xué)性能的研究多以毛竹竹片為研究對(duì)象,探討了竹齡、取材部位、種源等對(duì)竹材物理力學(xué)性能的影響[1-5];關(guān)于圓竹材性也開(kāi)展了相關(guān)研究,張丹等[6]對(duì)于圓竹用于建筑領(lǐng)域的抗彎、抗剪和抗壓等力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究,分析了圓竹在竹齡、取材部位的力學(xué)性能變異規(guī)律.文獻(xiàn)[7-9]試驗(yàn)獲得了單圓竹軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力.關(guān)于竹節(jié)對(duì)竹材力學(xué)性能的影響研究較少,僅邵卓平[10]等針對(duì)毛竹竹節(jié)對(duì)竹片強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究.在圓竹構(gòu)件中,考慮竹節(jié)影響的相關(guān)研究成果較少,《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(JG/T199-2007)[11]中沒(méi)有相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),因此有必要開(kāi)展圓竹力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,探討竹節(jié)對(duì)圓竹力學(xué)性能的影響.同時(shí),圓竹在實(shí)際應(yīng)用中徑向承受不同程度的載荷,常出現(xiàn)徑向壓潰的現(xiàn)象.因此本文開(kāi)展了圓竹抗壓、環(huán)剛度和抗彎性能的試驗(yàn)研究,探究了取材單元、竹節(jié)和含水率等對(duì)上述主要力學(xué)性能的影響,以期為圓竹的實(shí)際應(yīng)用提供參考.
試驗(yàn)研究對(duì)象為井岡山地區(qū)毛竹,竹齡為4~6 a并且取材位置一致.從不少于100株樣竹中,分散取12株成熟、無(wú)缺陷、胸徑在100 mm以上的有代表性的樣竹.
根據(jù)ISO 22157-1:2004(E)[12]和ISO 22157-2:2004(E)[13]的相關(guān)規(guī)定,圓竹順紋抗壓試件尺寸規(guī)格為:Hmm×dmm×tmm,其中H為圓竹長(zhǎng)度,取200mm、d圓竹直徑、t為竹壁厚度.試件編號(hào)原則為:YY-圓竹有竹節(jié)試件;YW-圓竹無(wú)竹節(jié)試件;YH-圓竹無(wú)竹節(jié)低含水率試件,共計(jì)3組,每組5個(gè)試件,編號(hào)1~5.
試樣的端面應(yīng)與試件長(zhǎng)度方向垂直且平整,最大偏差為0.2 mm.測(cè)量試件每個(gè)端面的垂直方向的兩個(gè)外徑和四個(gè)相對(duì)位置的壁厚,分別取其平均值計(jì)算試樣的橫截面面積.試驗(yàn)裝置與竹片試件加載裝置相同,試驗(yàn)以均勻速度加載,按每分鐘80 N/mm2均勻速度加荷,直至試樣破壞.
節(jié)間材和節(jié)部材圓竹的順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值如表1和表2,竹節(jié)對(duì)圓竹順紋抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)較為明顯,節(jié)部材的順紋抗壓強(qiáng)度較節(jié)間材提高約6%,節(jié)間材和節(jié)部材的最終典型破壞如圖1所示.
圖1 圓竹受壓破壞形態(tài)Fig.1 The compressive failure of bamboo culms
試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)定試件含水率,除了含水率影響對(duì)比分析,所有強(qiáng)度結(jié)果按JG/T199-2007[11]轉(zhuǎn)化含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度,以消除含水率差異對(duì)試驗(yàn)的影響,計(jì)算方法如式(1)和式(2),精確至0.1N/mm2:
fc,12=Kfc,wfc,w
(1)
(2)
式中:fc,12為含水率為12%時(shí)抗壓強(qiáng)度,N/mm2;Kfc,w為竹材抗壓強(qiáng)度含水率修正系數(shù);w為試樣含水率,%.
表1 圓竹有竹節(jié)順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of compressive strength of bamboo culms with node
表2 圓竹無(wú)竹節(jié)順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result of compressive strength of bamboo culms without node
表1和表2中試件含水率在38%~78%之間,含水率變化范圍為40%,試件抗壓強(qiáng)度隨含水率增加由減小趨勢(shì),為進(jìn)一步驗(yàn)證含水率對(duì)圓竹抗壓強(qiáng)度的影響,增加了節(jié)間材低含水率(11%~20%)試件,其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.表3試驗(yàn)試件含水率在38%~63%之間,圓竹抗壓強(qiáng)度平均值為45.1 N/mm2,表3試件含水率在11%~20%之間,圓竹抗壓強(qiáng)度平均值為53.83 N/mm2,提高了近20%,含水率的降低將顯提高圓竹的抗壓強(qiáng)度.通過(guò)對(duì)比表2和表3,可以看出當(dāng)換算成含水率12%時(shí),兩者抗壓強(qiáng)度平均值基本相等.
表3 圓竹無(wú)竹節(jié)低含水率抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of compressive strength of bamboo culms without node and low moisture content
為了研究取材單元的影響,制作了竹片單元作為對(duì)比試件,同時(shí)研究了基于竹片試件的各抗壓性能的差異.竹片抗壓試件幾何尺寸為:15 mm×55 mm×tmm,t為竹片壁厚.試件尺寸如圖2所示.徑向橫紋抗壓試件內(nèi)外兩側(cè)應(yīng)做打磨處理,以排除竹片弧度的影響.試件編號(hào)原則為:Y-順紋抗壓強(qiáng)度試件;XY-弦向橫紋抗壓強(qiáng)度試件;JY-徑向橫紋抗壓強(qiáng)度試件,共計(jì)3組,每組5個(gè)試件,編號(hào)1~5.
圖2 竹片抗壓?jiǎn)卧嚰叽鏔ig.2 The sample size of compressive Strength of bamboo sheets
試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),將試件放于抗壓試驗(yàn)機(jī)的正中間,調(diào)節(jié)試驗(yàn)設(shè)備,使得試驗(yàn)設(shè)備與試件接觸密實(shí).依據(jù)JG/T199-2007的規(guī)定要求,以均勻速度加載,按每分鐘80 N/mm2均勻速度加荷,直至試樣破壞.
圖3 竹片順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)裝置Fig.3 Test equipment for determination of the compressive strength of bamboo sheets
試驗(yàn)結(jié)果及分析:
以竹片為單元的毛竹各組試件的抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表4所示.
表4 竹片抗壓強(qiáng)度Tab.4 Compressive strength of bamboo sheets
竹片的順紋受壓破壞如圖4(b)所示,破壞過(guò)程為竹黃部位先出現(xiàn)剪切破壞,隨后竹青部位出現(xiàn)彎曲變形,導(dǎo)致竹青部位纖維撕裂出現(xiàn)錯(cuò)層現(xiàn)象.竹片的弦向受壓破壞如圖4(c)所示,破壞過(guò)程為竹黃部分先出現(xiàn)擠壓破壞,隨著荷載的增加初始局部破壞裂紋不斷擴(kuò)大,從竹黃部位向竹青部位斜向延伸,最終整個(gè)試件出現(xiàn)剪切破壞.竹片的徑向受壓破壞如圖4(d)所示,破壞過(guò)程為試件厚度方向壓縮變形,竹材纖維間出現(xiàn)錯(cuò)層,竹黃部位的兩端出現(xiàn)局部破壞.以竹片為單元的毛竹各類受壓破壞均表現(xiàn)為竹黃部位破壞較為嚴(yán)重,主要原因在于竹材截面在徑向上維管束分布不均勻,竹青至竹黃維管束呈明顯的階梯狀,靠近竹黃處維管束稀疏,承載能力弱,容易被壓潰.竹片的順紋抗壓強(qiáng)度為58.40 N/mm2,竹片的弦向抗壓強(qiáng)度為21.83 N/mm2,竹片的徑向抗壓強(qiáng)度為14.55 N/mm2,竹材順紋抗壓強(qiáng)度約為弦向橫紋抗壓強(qiáng)度的2.7倍,約為徑向橫紋抗壓強(qiáng)度的4.0倍.
圖4 竹片受壓破壞形態(tài)Fig.4 The compressive failure of bamboo sheets
竹片和圓竹的順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如表5.
表5 竹片與圓竹試樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果比較Tab.5 The compressive strength between bamboo culms and bamboo sheets
由表5可見(jiàn),不同的測(cè)試單元對(duì)毛竹順紋抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果有一定影響,但不顯著.以竹片為單元的毛竹縱向抗壓強(qiáng)度略大于圓竹縱向抗壓強(qiáng)度.主要原因在于竹片試件尺寸較小,測(cè)試時(shí)發(fā)生單純的順紋受壓破壞,而圓竹試件不僅發(fā)生受壓破壞,竹壁還發(fā)生了彎曲破壞,綜合體現(xiàn)了材料和中空復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞特征,因此測(cè)得圓竹的縱向抗壓強(qiáng)度略小于竹片的縱向抗壓強(qiáng)度.
環(huán)剛度是管狀材料抗外壓負(fù)載能力的綜合參數(shù).按GB/T 9647-2003的試驗(yàn)方法,將規(guī)定的管材試樣在兩個(gè)平行板間垂直壓縮,使管材直徑方向變形達(dá)到試件內(nèi)徑的3%.根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定造成3%變形的力F計(jì)算環(huán)剛度,計(jì)算公式如式(3).
(3)
式中:F為相對(duì)于管狀材料內(nèi)徑3%變形時(shí)的力值,kN;L為試樣長(zhǎng)度,m;Y為變形量,m;d為內(nèi)徑,m.
試件編號(hào)原則為:YH-有竹節(jié)環(huán)剛度試件;WH-無(wú)竹節(jié)環(huán)剛度試件,共計(jì)2組,每組5個(gè)試件,編號(hào)1~5.
無(wú)竹節(jié)環(huán)剛度試件首先會(huì)在與兩加壓面平行的直徑方向出現(xiàn)裂縫,裂縫首先出現(xiàn)在竹青一側(cè),如圖5a,隨著荷載增加,裂縫會(huì)逐步向竹黃一側(cè)擴(kuò)散,直至貫通整個(gè)竹壁,試件破壞.有竹節(jié)試驗(yàn)試件,首先節(jié)隔中部垂直于加載面的方向出現(xiàn)豎向裂縫,逐漸擴(kuò)展到竹黃至竹青方向,同時(shí),類似無(wú)竹節(jié)試件,在與兩加壓面平行的直徑方向出現(xiàn)裂縫,裂縫先出現(xiàn)在竹青一側(cè)逐步向竹黃一側(cè)擴(kuò)散,直至貫通整個(gè)竹壁,試件破壞如圖5(b).
圖5 環(huán)剛度試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.5 The radical compressive failure of bamboo culms
節(jié)間材和節(jié)部材圓竹的徑向環(huán)剛度試驗(yàn)值如表6和表7,竹節(jié)對(duì)其影響的對(duì)比結(jié)果如表8.
表6 圓竹無(wú)竹節(jié)環(huán)剛度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 The radial compression of bamboo-culm without node
表7 圓竹有竹節(jié)環(huán)剛度試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 The radial compression of bamboo-culm with node
表8 圓竹試樣環(huán)剛度結(jié)果比較Tab.8 The radial compression of bamboo-culm with node or without node
由表可見(jiàn),圓竹有竹節(jié)環(huán)剛度遠(yuǎn)大于圓竹無(wú)竹節(jié)環(huán)剛度,圓竹有竹節(jié)環(huán)剛度平均值超出圓竹無(wú)竹節(jié)環(huán)剛度平均值達(dá)90%,這主要是因?yàn)橹窆?jié)對(duì)圓竹有緊箍作用,限制了其橫向變形,從而使得有竹節(jié)環(huán)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)竹節(jié)的環(huán)剛度.
圓竹抗彎試驗(yàn)采用四點(diǎn)加載方式,位于試樣跨中設(shè)置豎向位移計(jì)用來(lái)測(cè)量試樣撓度.在試驗(yàn)進(jìn)行前,首先確定加載梁、支座以及圓竹處于同一豎直面內(nèi).為防止圓竹在試驗(yàn)時(shí)發(fā)生滾動(dòng)現(xiàn)象,同時(shí)避免文獻(xiàn)[6]圓竹抗彎試驗(yàn)的中空薄壁圓竹被壓潰,制作如圖6所示支撐座,加載支座和支撐座應(yīng)盡量作用在竹節(jié)處.
圖6 圓竹抗彎加載裝置及試件Fig.6 Test equipment for determination of the bending strength of bamboo culms
試件編號(hào)原則為:KW-圓竹抗彎試件,試件含水率從頂部到底部為40%~60%; KWH-圓竹抗彎低含水率試件,試件含水率從頂部到底部為10%~30%,共計(jì)2組,每組3個(gè)試件,編號(hào)1~3.
在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),以勻速進(jìn)行加載,KW和KWH兩組試件分別荷載加至約10 kN和7 kN時(shí),達(dá)到試驗(yàn)設(shè)備最大量程150 mm,跨中撓度達(dá)試件跨度的1/20,試驗(yàn)結(jié)束,試件變形圖如圖7所示.由此可見(jiàn),在實(shí)際工程中,當(dāng)單圓竹作為受彎構(gòu)件使用時(shí),當(dāng)采取竹壁壓潰措施時(shí),可根據(jù)正常使用極限狀態(tài)要求控制設(shè)計(jì).
圖7 圓竹抗彎強(qiáng)度變形Fig.7 The bending failure of bamboo culms
4.3.1 含水率的影響
KWH組試件含水率從頂部到底部為10%~30%,相比KW組的60%已有大幅降低,但最終試件未破壞,但圓竹抗彎強(qiáng)度隨著竹材含水率的降低而降低,在相同撓度的情況下圓竹抗彎承載力下降約20%.
4.3.2 試件單元的影響
抗彎強(qiáng)度的測(cè)試采用兩點(diǎn)對(duì)稱加荷,兩個(gè)加荷點(diǎn)距離支座各50 mm,加荷點(diǎn)間距 .按每分鐘150 N/mm2的均速加荷直至試樣破壞,記錄破壞荷載.試樣的抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式如式(4)所示:
(4)
式中:fm,w為含水率為w時(shí)順紋抗彎強(qiáng)度,N/mm2;Pmax破壞荷載,N;h為試樣高度,mm;t為試樣厚度,mm.
4.3.3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)研究
抗彎試件加載及破壞形式如圖8所示.破壞形式為纖維的縱向撕裂和橫向剪切破壞.隨著荷載增加,試樣的彎曲變形逐漸增大,當(dāng)彎曲變形達(dá)到極限變形時(shí),順紋方向竹黃部分首先出現(xiàn)裂紋,隨著荷載的增加,裂紋不斷增大并且沿徑向逐步向竹青部分延伸,最終導(dǎo)致整個(gè)試樣撕裂破壞.
圖8 竹片抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.8 The bending failure of bamboo sheets
試驗(yàn)結(jié)果及分析對(duì)比如表9所示,以竹片為試驗(yàn)單元的毛竹平均抗彎強(qiáng)度為108.60 N/mm2.
由于圓竹抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)未能獲得最終破壞荷載,故未能量化取材單元對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響.單圓竹作為受彎構(gòu)件使用時(shí),具備很好的變形能力,可根據(jù)正常使用極限狀態(tài)要求控制設(shè)計(jì).
表9 竹片抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Bending strength of bamboo sheets
(1)對(duì)比分析毛竹的各項(xiàng)抗壓強(qiáng)度,以竹片為試驗(yàn)單元,其順紋抗壓強(qiáng)度最高,約為弦向橫紋抗壓強(qiáng)度的2.7倍,徑向橫紋抗壓強(qiáng)度4.0倍;對(duì)比取材單元的影響,圓竹由于中空結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)生的為軸壓和竹壁彎曲的聯(lián)合破壞,承載力較竹片試樣低,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意.
(2)竹節(jié)的存在有利于圓竹環(huán)剛度和抗壓強(qiáng)度.竹節(jié)對(duì)圓竹的緊箍作用,限制了其橫向變形,有竹節(jié)圓竹環(huán)剛度遠(yuǎn)大于無(wú)竹節(jié)圓竹環(huán)剛度,平均值超出90%左右;有竹節(jié)圓竹順紋抗壓強(qiáng)度較無(wú)竹節(jié)圓竹試件提高6.3%.
(3)含水率對(duì)圓竹抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度有較大影響,但其影響趨勢(shì)不同.圓竹抗壓強(qiáng)度隨著竹材的含水率降低而增加,含水率降低20%~40%,抗壓強(qiáng)度提高約20%,隨著含水率的降低,在相同撓度情況下圓竹抗彎強(qiáng)度下降約20%.
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