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现代竹结构的研究与工程应用

发布时间:2018-11-29 15:49所属分类:理工论文浏览:1

摘要:竹材是世界上为数不多的可再生资源,有上千年的使用历史和诸多良好的建材特性,是建筑行业的理想材料。随着经济社会的发展、科学技术的进步、国家政策的推动,全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构是未来的发展方向之一。虽然从基本方法与手

  摘要:竹材是世界上为数不多的可再生资源,有上千年的使用历史和诸多良好的建材特性,是建筑行业的理想材料。随着经济社会的发展、科学技术的进步、国家政策的推动,全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构是未来的发展方向之一。虽然从基本方法与手段上,竹结构的研究可以从已经较为成熟的传统结构研究中汲取经验,但是,竹材是组成竹结构的基础,这种特殊材料使得竹结构在构件、节点以及体系构成上与传统结构存在显著差别。结合已有成果,对现有竹结构中所涉及的竹材、竹构件、节点的力学性能作出分析;结合现代科技,对竹结构体系进行研究、总结。结果表明:目前已有的竹筋混凝土结构体系、改性竹材结构体系、现代纯原竹结构体系已在建筑结构中广泛应用,展现出竹材的性能优势。本文提出一种喷涂复合材料–原竹骨架组合结构体系,其整体力学性能好,功能性和适应能力强,施工速度快,可代替传统砖混结构,在低层房屋及村镇建筑中应用,具有较高的推广价值。

  关键词:现代竹结构,研究现状,工程应用,原竹,改性竹

  木竹材资源是世界上为数不多的可再生资源[1]。中国木材资源比较匮乏,但竹类资源丰富(约有39属500多种),竹种植面积和蓄积量均居世界首位[2]。因此,在目前木材供需矛盾仍很紧张的形势下,研究竹结构有重要的意义。建筑业是一个资源利用率低,能源消耗大、环境污染严重的行业。与传统建筑材料(如砖、混凝土等)相比,竹材不仅生长周期短、能在生长过程中改善自然环境,而且加工过程中能耗低,废弃后可自然降解,堪称天然绿色建材[3]。

  同时,竹材较木材具有强度高、塑性好等优良的结构性能,被结构工程师们誉为“植物钢筋”[4]。此外,竹材的强重比高,变形能力好,能够吸收和耗散地震中的大量能量,是建筑行业的理想材料[5]。早在1867年,法国人蒙尼亚已经提出竹材在建筑结构中的应用方式[6],我国也于20世纪50年代中期推出大量竹筋建筑[7]。

  但是,由于早期的传统竹结构存在防火、防虫、保温、隔声、防腐性能差等缺点,且缺乏完整的理论体系,使得竹材在建筑工程中不仅往往与贫困、落后联系在一起,而且无法得到广泛应用。近年来,世界各国越来越注重生态环境的保护并提倡低碳生活。在全球节能减排的大环境下,党中央、国务院出台了一系列方针政策以推进新型城镇化的建设[8-10]。随着经济社会的发展,科学技术的进步,国家政策的推动,人们对竹结构有了新的认识,竹结构的研究也有了更广阔的平台,克服其缺点成为可能。

  在此背景下,全生命周期(从选材、施工到使用直至废弃)均可实现与生态环境协调共存的竹结构成为了研究热点。因此,合理发展竹结构符合国家“绿色化”发展需要,具有重要的理论意义与工程应用价值。虽然从基本方法与手段上,竹结构的研究可以从已经较为成熟的传统结构研究中汲取经验。但是,竹材是组成竹结构的基础,这种特殊材料使得竹结构在构件、节点以及体系构成上与传统结构存在显著差别。

  故在研究过程中,特别是理论分析,需以竹结构的受力机理为基本立足点。因此,本文通过对现代竹结构的研究与应用进行归纳与评述,重点阐述竹结构研究中存在的共性问题,在此基础上指出现代竹结构的未来发展方向。

  1竹材力学性能

  1.1原竹材力学性能

  原竹指保留了圆形竹材初始性状的原始竹(主要包括圆竹与竹片)。1932年,竹内叔雄[11]就已经开始对原竹材进行研究。随后,我国梁希[12]、余仲奎[13]、清华大学工程材料教研组[14]等均对不同竹材构造、物理性能、力学性能等开展了研究工作,特别是南京林产工业学院竹类研究室[15],给出了竹材、木材和钢材的强度比较如表1所示。

  由表1可知,竹材的抗拉强度约为木材的2倍,抗压强度比木材高约10%。此外,该文献提出钢材的抗拉强度为竹材的2.5倍~3.0倍,但由于钢材比重较高,若按单位重量计算,竹材单位重量的抗拉强度约为钢材的3倍~4倍。

  本文认为,虽然仅用单位重量比较竹材与钢材之间的力学性能欠妥当,毕竟二者在工程中的应用范围有较大区别,但是不可否认将竹材作为建筑结构承重材料是具备可行性的。原竹材为三向异性材料,其物理、力学性能与自身微观结构密切相关。

  竹子主要由纤维厚壁细胞(即维管束)和纤维薄壁细胞(即基体)组成,由于它们承载力能力不同,导致毛竹顺纹抗拉弹性模量、顺纹抗拉强度和静曲强度沿径向变异较大[16-18]:最外层竹材顺纹抗拉弹性模量与顺纹抗拉强度是最内层的3–4倍和2–3倍;静曲强度沿径向由内向外也呈现出逐渐增大的趋势。此外,立地条件、含水率、竹龄、部位均对竹材力学性能有所影响[18-20]:立地条件越好,含水率越高(绝干条件除外),竹材的力学性能越差;6年生毛竹各项力学性能总体在最高水平;竹杆上部比下部的强度大。

  国内外学者在该领域开展了大量研究工作[21-27],其中不仅包括基本力学性能的测试,还有圆竹开洞处抗劈裂、圆竹环向抗拉等性能的探讨,如图1所示。

图1

  1.2改性竹材力学性能

  随着原竹材研究的不断深入,近年来出现了各种结构工程竹材类产品,如胶合竹、重组竹(竹集成材)、竹木复合材料等新型竹材。胶合竹是一种具有特定纤维排列方式,且经过特殊工艺加工的天然竹纤维增强复合材料。肖岩等[41,42]通过对Glubam胶合竹材的力学性能进行试验研究,得到其弹性模量、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等性能指标,证明该竹材能够满足建筑结构的力学性能要求。但作者发现,比较可知,Glubam胶合竹的力学性能指标整体数值偏小,这是由于原竹材存在明显的自身构造优势(中空、纤维分布完整等)。

图2

  2竹构件、节点力学性能

  研究竹材构成的构件(如梁、柱、墙体及楼板等)是推广应用竹结构的前提。

  2.1梁力学性能

  对于原竹简支梁来说,其受弯破坏模式已基本达成共识,即认为原竹简支梁会发生纵向劈裂破坏或局部弯折破坏[53,54]。虽然文献[55]已提出当含水率较低时,原竹梁将发生纵向劈裂破坏,反之发生局部弯折破坏,但是不少试验却得到了相反的结论。实际上,作者认为原竹简支梁的破坏模式与加载方式、竹杆局部横向承载力以及顺纹方向承载力密切相关。基于竹材力学性能的离散型,现有研究尚未给出两种破坏模式的量化分界点,该分界点的确定将成为未来原竹梁研究的重点。此外,由于原竹梁的抗弯刚度较低,工程中可直接按照挠度进行设计。

  Janssen[57]通过对原竹梁进行蠕变试验还发现,与木材不同,原竹梁在长期荷载作用下不会产生变形的增加,且在卸载后梁可以恢复到受力前的直杆状态,具有较好的整体性。近年来,基于改性竹材梁的研究不断发展,唐卓等[58]对GluBam胶合竹I形搁栅梁的破坏形态、破坏机理、截面刚度和承载力等进行了研究,认为梁跨中截面应变符合平截面假定,该梁具有良好的整体工作性能。苏毅[59]、陈复明[60]、周军文[61]、张苏俊[62]等均进行了不同类型重组竹梁受弯性能的研究,给出破坏模式并提出了相应的计算方法。

  此外,吴文清[63]等对不同竹质复合I形梁进行了弯曲静载试验,研究其破坏机理、承载能力和变形性能,为此类结构设计提供了理论依据。总体而言,文献[59]提出的竹集成材顺纹单轴拉、压应力–应变简化模型及关系式可用于此类梁弯曲性能的分析。

  3结论及展望

  随着经济社会的发展,科学技术的进步,国家政策的推动,全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构成为了未来发展方向之一。

  (1)目前原竹材及改性竹材的基本力学性能均是一维受力状态的研究,且缺乏统一的材料本构;关于防火、防腐处理对竹材力学性能的影响尚不明确。

  (2)对竹构件进行试验是现阶段主流的研究方法,应注意加强对理论分析和数值模拟的深入探讨(如不同破坏模式产生的原因、影响构件承载力的量化因素等),这是对竹结构进行研究需要解决的关键问题。

  (3)对构件间节点连接性能的研究尚显不足,已有连接形式局限性较大,且基本受力机理仍未明晰,还需提出更具普遍适用性的新型连接节点,并对其进行深入研究,这对形成结构体系具有重要意义。

  (4)现阶段,已有的竹筋混凝土结构体系、改性竹材结构体系、现代纯原竹结构体系已在建筑结构中广泛应用,展现出竹材的性能优势。

  (5)喷涂复合材料与原竹骨架黏结可靠,本文提出的喷涂复合材料–原竹骨架组合结构体系整体力学性能好,功能性和适应能力强,施工速度快,可代替传统砖混结构,在乡镇、农村低层房屋建筑中应用,具有较高的推广应用价值。

  (6)今后应进一步完善现有竹结构体系,大力研发适用于不同建筑类型的竹结构新体系,在科学研究与实践的基础上形成设计规范并与国际接轨,最终使竹结构在现代建筑工程领域中大力推广应用。

  参考文献:

  [1]郝际平,寇跃峰,田黎敏,等.基于竹材含水率的喷涂多功能环保材料-原竹黏结界面抗滑移性能试验研究[J].建筑结构学报,2018,39(7):154-161.HaoJiping,KouYuefeng,TianLimin,etal.Experimentalstudyonanti-slipbehaviorofmulti-functionalenvironmentalmaterial-bamboointerfacebasedonMoisturecontentofbamboo[J].JournalofBuildingStructures,2018,39(7):154-161.(inChinese)

  [2]徐斌,任海清,江泽慧,等.竹类资源标准体系构建[J].竹子研究汇刊,2010,29(2):6-10.XuBin,RenHaiqing,JiangZehui,etal.Standardsystemconstructionofbambooresources[J].JournalofBambooResearch,2010,29(2):6-10.(inChinese)

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  [4]刘可为,奥利弗·弗里斯.全球竹建筑概述—趋势和挑战[J].世界建筑,2013(12):27-34.LiuKewei,FrithO.Anoverviewofglobalbambooarchitecture:trendsandchallenges[J].WorldArchitecture,2013(12):27-34.(inChinese)

  [5]李霞镇,钟永,任海青.现代竹结构建筑在我国的发展前景[J].木材加工机械,2011,22(6):44-47.LiXiazhen,ZhongYong,RenHaiqing.DevelopmentprospectofmodernbambooconstructioninChina[J].WoodProcessingMachinery,2011,22(6):44-47.(inChinese)

  [6]王慧英,赵卫锋,补国斌.竹筋混凝土技术在建筑结构中的应用[J].建筑技术,2012,43(7):605-607.WangHuiying,ZhaoWeifeng,BuGuobin.Applicationtechnologyofbambooreinforcedconcreteinbuildingstructures[J].ArchitectureTechnology,2012,43(7):605-607.(inChinese)

  [7]哈尔滨市工业先进经验展览馆,哈尔滨科学技术普及协会.先进生产技术11:竹筋混凝土[M].哈尔滨,1957.

  [8]中国共产党中央委员会,中华人民共和国国务院.国家新型城镇化规划(2014–2020年)[Z].2014.CentralCommitteeoftheCommunistPartyofChina,StateCouncilofthePeople’sRepublicofChina.Nationalnewurbanizationplan(2014–2020)[Z].2014.(inChinese)

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