肖忠平,李 晨,蘇相宇
國家大力發(fā)展裝配式建筑,而竹木結(jié)構(gòu)建筑也正屬于這一范疇,竹材和木材都是可再生資源,竹材具有生長周期短、伐后恢復(fù)快等優(yōu)點,并且碳儲存能力也超過木材。近年來,隨著世界木材資源的日漸匱乏,合理有效地利用竹材資源變得越來越重要。重組竹是一種將竹材重新組織并加以強化成型的竹質(zhì)新材料,具有優(yōu)良的力學(xué)性能,其強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他的木材人造板和普通竹材人造板,目前已經(jīng)應(yīng)用在房屋、橋梁結(jié)構(gòu)中[1-4],高校、研究所以及從事竹木結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)的企業(yè)也開展了相關(guān)重組竹結(jié)構(gòu)方面的研究,主要集中在重組竹材性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及節(jié)點幾個方面[5-11]。在竹結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中主要針對梁構(gòu)件,少數(shù)針對柱構(gòu)件。劉學(xué)[12]采用慈竹竹簾膠合板制作方形結(jié)構(gòu)柱,通過等邊角鋼采用螺栓將翼緣板和腹板連接,在翼緣板兩側(cè)通過薄型竹膠合板進(jìn)行固定,然后對其進(jìn)行軸心受壓試驗表明,竹質(zhì)工字型結(jié)構(gòu)柱翼緣板與腹板均出現(xiàn)側(cè)向彎曲,加載后期翼緣板與腹板變形均出現(xiàn)恢復(fù),并且變形最大處為柱翼緣板與腹板中部,變形最小處為兩端簡支點位置。柱翼緣板由于局部受壓發(fā)生破壞,柱側(cè)向變形較小,整體穩(wěn)定性較高,并且軸向壓力作用下軸向壓縮量較小,抗壓性能較優(yōu);張?zhí)K?。?3]等對4根重組竹方形實心柱的軸心受壓研究表明,實心柱軸心受壓時的破壞形態(tài)為彎曲屈曲型整體失穩(wěn),并且在彈性范圍內(nèi),沒有出現(xiàn)強度破壞;魏洋[14]等對6根不同偏心距的重組竹柱進(jìn)行的偏心受壓試驗表明,對應(yīng)峰值載荷時,重組竹柱偏心受壓試件的竹材壓應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸心受壓試件,蘇靖文[15]等對重組竹實心柱軸心受壓的力學(xué)性能也進(jìn)行了研究??梢?,在重組竹構(gòu)件的研究中,主要是針對實心柱,雖然劉學(xué)[12]對工字型結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行了研究,但所用材料為竹簾膠合板,非重組竹。
重組竹的密度達(dá)到 1.1 g·cm-3,重量大,現(xiàn)場施工不方便,同時,每立方米重組竹成本達(dá)到5 000多元。能否采用不同結(jié)構(gòu)形式的重組竹柱,減少重組竹的用量,減少施工難度,降低成本,本研究制作了5組重組竹實心柱、空心箱型柱進(jìn)行軸心受壓試驗,研究不同截面形式柱的抗壓承載力特性、破壞模式等,為竹結(jié)構(gòu)建筑柱形式的選擇與設(shè)計提供參考。
試驗構(gòu)件采用的重組竹的物理力學(xué)性能為:含水率 8.7%,密度 1.11 g·cm-3,彈性模量 6 997.6 MPa,順紋抗壓強度82 MPa。實心柱試件柱身截面為100 mm×100 mm,試件長度1 000 mm。內(nèi)加隔板增強型箱型柱尺寸以及內(nèi)加隔板位置見表1,重組竹空心柱采用四板膠合制作。
表1 重竹柱截面尺寸Table 1 Sectional dimension of glued laminated bamboo column
試驗加載及測試根據(jù)GB/T 50329-2012進(jìn)行,試驗加載裝置采用2 000 kN液壓式壓力傳感器和YAJ-5000微機控制電液伺服壓剪試驗機進(jìn)行軸向加載進(jìn)行靜力加載,在試件的上下兩端安裝刀鉸,通過紅外水準(zhǔn)儀進(jìn)行對中矯正。試驗前,為測試重組竹柱在受力狀態(tài)下的應(yīng)變發(fā)展情況,研究不同截面形式的重組竹柱的破壞特點及受力過程中應(yīng)變發(fā)展規(guī)律,在試件上布置應(yīng)變片,布置位置為柱的4個側(cè)面中間處沿豎向和橫向。圖1中沿柱的高度方向兩側(cè)均等間距布置5個橫向位移計,豎向布置1個位移計,測試加載過程中重組竹柱的變形特征。在試驗加載前期荷載按每級5 kN逐級加載,當(dāng)荷載達(dá)到40 kN后,加載等級調(diào)整為按每級10 kN加載直至試件失效破壞,加載過程中加載速度保持為2 mm·min-1。
圖1 試驗加載裝置Fig.1 Test setup of column
2.1.1 重組竹實心柱 重組竹實心柱破壞模式見圖2,加載初期重組竹實心柱柱中撓度和應(yīng)變隨著荷載的增加而呈線性趨勢增大,此時處于彈性階段,支座處幾乎沒有位移,可忽略不計。繼續(xù)加載,當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時,重組竹實心柱出現(xiàn)明顯的變形,構(gòu)件向一側(cè)彎曲,柱中輕微開裂;隨著荷載繼續(xù)增大,構(gòu)件變形愈發(fā)明顯,最后出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。
圖2 實心柱破壞形式Fig.2 Failure models of glulam bamboo solid columns
2.1.2 重組竹空心柱 重組竹空心柱破壞模式見圖3,加載初期重組竹實心柱柱中撓度和應(yīng)變隨著荷載的增加而呈線性趨勢增大,此時處于彈性階段,支座處幾乎沒有位移,可忽略不計。當(dāng)荷載加載至300 kN左右時,重組竹空心柱表面雖然沒有出現(xiàn)明顯的破壞,但伴隨有輕微的撕裂響聲。加載中期,當(dāng)荷載增大到380 kN左右時,可以聽到較大的響聲,柱中位置開始出現(xiàn)輕微開裂,隨著荷載的增加,柱的撓度越來越大。加載后期,當(dāng)荷載增大到435 kN左右時,肉眼能觀察到空心柱發(fā)生極大撓曲。此時,重組竹空心柱上下兩端端部出現(xiàn)明顯裂縫,構(gòu)件兩端壓潰破壞,指接處也發(fā)生鋸齒狀斷裂。
圖3 重組竹空心柱破壞形式Fig.3 Failure models of glulam bamboo hollow columns
圖4 為重組竹實心柱和空心柱試件柱中的荷載-位移曲線。試驗加載前期,2種形式柱跨中變形均隨荷載增加而增大,并且為線性增長,說明此時2種形式柱均處于彈性階段;荷載繼續(xù)增加,實心柱荷載達(dá)到420 kN,空心柱荷載達(dá)到388 kN時,2種形式柱荷載-變形曲線斜率呈現(xiàn)減小的趨勢,進(jìn)入塑性階段;荷載繼續(xù)增大后,實心柱荷載達(dá)到470 kN,空心柱荷載達(dá)到412 kN,二柱均發(fā)生失穩(wěn)破壞,進(jìn)入破壞階段,實心柱極限荷載為空心柱的1.14倍,結(jié)合上述2種形式柱的破壞形式可發(fā)現(xiàn)破壞形式均為塑性破壞。根據(jù)試驗所得各柱荷載-撓度數(shù)據(jù)計算重組竹柱的位移延性系數(shù)(最大位移和屈服位移的比值),重組竹實心柱的延性系數(shù)為1.66,空心柱的延性系數(shù)為1.53,說明重組竹實心柱的延性較好。
圖4 重組竹柱荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of glulam bamboo columns
圖5 為試驗所得柱中截面在不同荷載等級下的應(yīng)變情況。柱中應(yīng)變在加載初期隨著截面高度的增大而上升,呈線性變化,柱四側(cè)截面應(yīng)變基本相同,此時2種形式柱均處于彈性階段;隨著荷載的增加,截面各部位應(yīng)變發(fā)展迅速,當(dāng)實心柱荷載增大到422 kN,空心柱荷載增大到388 kN后,試件開始出現(xiàn)明顯的彎曲變形,進(jìn)入塑性階段。柱四側(cè)截面應(yīng)變開始出現(xiàn)較大差異,D面由于柱彎曲變形,為受壓側(cè),壓力增加速度變快,應(yīng)變發(fā)展速度也最為迅速,最后破壞時實心柱應(yīng)變超過12 000 με,空心柱應(yīng)變超過7 500 με;A、C面由于構(gòu)件變形應(yīng)變也增大較快,最后破壞時實心柱應(yīng)變超過8 000 με,空心柱應(yīng)變超過5 000 με;B面為受拉側(cè),進(jìn)入塑性階段后,應(yīng)變反而減小,直至破壞。
由于目前重組竹結(jié)構(gòu)還沒有具體規(guī)范,依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對重組竹柱進(jìn)行理論值計算(表2)。
表2 重組竹柱承載力Table 2 Bearing capacity of glued laminated bamboo column
由表2可知,重組竹實心柱與空心柱試驗值與依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》理論計算值吻合較好,說明《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對重組竹柱的設(shè)計具有一定參考作用。
表3為實心柱與空心柱的用料比值及承載力比值,可以看出空心柱的承載力相比于實心柱相差并不是很大,并且材料用量減少,說明重組竹空心柱可以在實際工程中進(jìn)行應(yīng)用,并且重量輕、便于施工。
表3 重組竹實心柱與空心柱對比Table 3 The comparison of hollow column and solid column
圖5 重組竹柱荷載-應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curves of glulam bamboo columns
重組竹實心柱破壞模式為失穩(wěn)破壞,并柱中出現(xiàn)輕微開裂;重組竹空心柱破壞模式同樣為失穩(wěn)破壞,并且上下兩端端部出現(xiàn)明顯裂縫,構(gòu)件兩端壓潰破壞,指接處也發(fā)生鋸齒狀斷裂。
重組竹實心柱極限荷載為空心柱的1.11倍,實心柱的延性系數(shù)為1.66,空心柱的延性系數(shù)為1.53,說明重組竹實心柱的承載力和延性更優(yōu)。
重組竹實心柱與空心柱試驗值與依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》理論計算值吻合較好,說明《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對重組竹柱的設(shè)計具有一定參考作用。
空心柱的承載力相比于實心柱相差并不是很大,能滿足承載力要求,并且材料消耗更少,重量輕,便于施工,能夠應(yīng)用在竹結(jié)構(gòu)建筑中。但是由于空心柱的箱型結(jié)構(gòu),在梁柱連接節(jié)點設(shè)計時,是否還能與實心柱一樣采用角鋼和螺栓的連接方式,這種連接是否對空心柱的抗剪承載力有影響,采用何種連接方式最可靠這些還需要進(jìn)一步的研究,以便保證重組竹空心柱在實際工程應(yīng)用中的安全性。