彭 亮， 黃漢霄，孫曉東

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

竹子是全球重要的森林資源之一，具有產(chǎn)量大，可再生，生長(zhǎng)周期短及生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，三到四年即可成材[1-3]。作為結(jié)構(gòu)材料，竹材具有優(yōu)異的韌性，高比強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jié)合的方式，解除了竹材制備大幅面結(jié)構(gòu)材料的限制，使其作為建筑結(jié)構(gòu)材料具有極大的應(yīng)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(zhì)方梁，并研究了其抗彎性能，并指出竹質(zhì)方梁具有較優(yōu)的抗震性能，滿足結(jié)構(gòu)工程的要求。喻云水等[11]研究以慈竹為原料的竹質(zhì)工字梁，并進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：竹質(zhì)工字梁最大承載力可達(dá)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(dá)20 kN時(shí)便發(fā)生拔出現(xiàn)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(jié)構(gòu)工字梁，但由于其需要使用鋼板加固，在實(shí)驗(yàn)過程中鋼材和竹材力學(xué)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(zhì)方梁。采用兩端簡(jiǎn)支，在梁跨三分點(diǎn)處進(jìn)行兩點(diǎn)加載的方法，研究了6 m和3 m竹質(zhì)方梁的抗彎力學(xué)性能及破壞過程，以期為大跨度的竹質(zhì)方梁應(yīng)用于建筑領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)(齒接是竹條接長(zhǎng)的方式，齒接處是短竹條與短竹條接長(zhǎng)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(zhì)方梁，其中熱壓參數(shù)為熱壓溫度130 ℃、熱壓壓力1.2 MPa、熱壓時(shí)間2 h。圖1為竹質(zhì)方梁制備流程圖。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)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(jī)電有限公司。

(2)單作用千斤頂：型號(hào)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(hào)BLR-1，規(guī)格20 T，上海誠(chéng)知自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司。

1.2.2 加載方式和計(jì)算方法 圖2為竹質(zhì)方梁試驗(yàn)加載示意圖，試件采用兩端簡(jiǎn)支，通過液壓千斤頂加載經(jīng)分配梁傳載的方式，對(duì)試件進(jìn)行兩點(diǎn)加載，兩點(diǎn)間的距離為跨中距，跨中距內(nèi)為竹質(zhì)方梁的純彎段，試件荷載通過液壓油缸下部力學(xué)傳感器測(cè)定，撓度通過百分表測(cè)定。試件跨中距的計(jì)算按照結(jié)構(gòu)用集成材標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 26899-2011》，公式如下：

(1)

式中:S為竹質(zhì)方梁跨中距(mm)；l為竹質(zhì)方梁總長(zhǎng)(mm)。

實(shí)驗(yàn)中，3 m竹質(zhì)方梁標(biāo)記為L(zhǎng)-3，兩支座間跨距為2 600 mm，跨中距為600 mm，預(yù)載1 kN，對(duì)試件采用分級(jí)加載，每級(jí)加載5 kN；6 m竹質(zhì)方梁標(biāo)記為L(zhǎng)-6，兩支座間跨距為5 600 mm，跨中距為1 333 mm，預(yù)載1 kN，對(duì)試件采用分級(jí)加載，每級(jí)加載1 kN。

竹質(zhì)方梁彈性模量和抗彎強(qiáng)度的計(jì)算方法符合竹材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法《GB/T 15780-1995》。彈性模量公式如下：

(2)

式中: Ew為竹質(zhì)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(zhì)方梁寬度(mm)；h為竹質(zhì)方梁高度(mm)；f為上、下限載荷間的竹質(zhì)方梁變性值(mm)。

靜曲強(qiáng)度公式如下：

(3)

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

1.2.3 測(cè)量?jī)?nèi)容

破壞載荷測(cè)量：采用力學(xué)傳感器測(cè)量。

撓度測(cè)量：測(cè)量試件在兩個(gè)支座、兩個(gè)加載點(diǎn)以及一個(gè)中點(diǎn)的豎向位移，采用百分表進(jìn)行讀數(shù)。

2 分析與討論

2.1 6 m竹質(zhì)方梁撓度變化分析

表1為6 m竹質(zhì)方梁撓度測(cè)試結(jié)果，圖3和圖4分別為根據(jù)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(shí)驗(yàn)初期，在加入分配梁與預(yù)載1 kN再卸載后，試件L-6均產(chǎn)生豎向位移，這是由于竹質(zhì)方梁跨距較大，在分配梁自重和載荷作用下發(fā)生彎曲。當(dāng)載荷達(dá)到7 kN時(shí)，豎向位移達(dá)86.97 mm。由圖4可知，在整個(gè)加載過程中，竹質(zhì)方梁載荷-撓度始終呈線性發(fā)展，載荷沒有發(fā)生波動(dòng)，表明了L-6竹質(zhì)方梁在整個(gè)測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程中沒有發(fā)生破壞。根據(jù)圖4所示結(jié)果，利用公式(2)計(jì)算竹質(zhì)方梁的彈性模量，結(jié)果表明， L-6竹質(zhì)方梁的彈性模量為10261.24 MPa,但其約6 m長(zhǎng)的跨距仍然較大，易受載荷產(chǎn)生形變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可考慮加大竹質(zhì)方梁截面尺寸。

2.2 3 m竹質(zhì)方梁抗彎強(qiáng)度分析

為了進(jìn)一步探究竹質(zhì)方梁的抗彎強(qiáng)度及破壞載荷，采用3 m竹質(zhì)方梁L-3進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于L-3，加入分配梁后采用預(yù)加載1 kN后卸載的方式以抵消竹質(zhì)方梁自重的影響，當(dāng)載荷加載至15 kN時(shí)，L-3竹質(zhì)方梁發(fā)出內(nèi)部膠層撕裂的微弱響聲；隨著載荷不斷增大，竹質(zhì)方梁發(fā)生明顯彎曲；當(dāng)載荷超過30 kN后，竹質(zhì)方梁不斷發(fā)生膠層撕裂，但其外表面并未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

表1 6 m長(zhǎng)竹方梁撓度測(cè)試結(jié)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(yù)先加載1 kN后卸載的豎向位移;百分表1,2,3,4,5按照?qǐng)D由左向右安裝。

當(dāng)載荷達(dá)到48.8 kN時(shí)，竹質(zhì)方梁受拉面出現(xiàn)裂紋，部分構(gòu)件齒接處發(fā)生開裂；當(dāng)載荷增加值52 kN時(shí)，竹質(zhì)方梁發(fā)生破壞，實(shí)驗(yàn)終止。觀察可得，L-3竹質(zhì)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(dǎo)致破壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，L-3竹質(zhì)方梁的破壞載荷為52 kN，靜曲強(qiáng)度為85.51 MPa，此結(jié)果與馬尾松和杉木等常用建筑木材相近[14]，符合建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) GB50005-2017。

2.3 3 m竹質(zhì)方梁破壞特征

研究材料的破壞特征對(duì)材料制備工藝的進(jìn)一步優(yōu)化十分重要。由圖5可以看出，竹質(zhì)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(chǎn)生，并沿纖維之間的結(jié)合界面?zhèn)鬟f，并在竹單元間的膠合界面處擴(kuò)散，最終使竹質(zhì)方梁組成單元間相互剝離而破壞，其現(xiàn)象符合各向異性材料的破壞和裂紋擴(kuò)展特征[16]。從破壞和裂紋擴(kuò)展特征顯示，竹質(zhì)方梁的破壞均發(fā)生在組成結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，這主要和竹材本身結(jié)構(gòu)及組成有關(guān)。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(xué)性能較優(yōu)，而薄壁組織力學(xué)性能相對(duì)較低，這種“強(qiáng)弱界面”交替組合的方式有助于竹材破壞時(shí)的裂紋引導(dǎo)擴(kuò)展的作用，以增強(qiáng)竹材的斷裂韌性[18]。竹質(zhì)方梁很好的繼承了竹材本身的特性，因此，竹質(zhì)方梁在破壞時(shí)，其破壞程度隨著裂紋的擴(kuò)展循序漸進(jìn)，沒有發(fā)生瞬間垮塌。此外，竹質(zhì)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(yù)警時(shí)間。

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

3 結(jié)論

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

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

(3)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議在竹質(zhì)方梁的組坯工藝上做進(jìn)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(cuò)組坯的形式，進(jìn)一步延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的自由路徑，以提高竹質(zhì)方梁抵抗破壞的能力。