毛竹圓竹力學性能的研究

張 丹，王 戈，張文福，程海濤

毛竹圓竹力學性能的研究

張 丹，王 戈，張文福，程海濤

(國際竹藤中心，北京 100102)

以毛竹圓竹為研究對象，研究其力學性能的變異規律。結果表明：以圓竹為測試單元毛竹各項性能測試結果不同于以竹片為測試單元測得的結果，但是毛竹圓竹的各項力學性能在竹齡、竹稈部位上的變異規律和竹片力學性能的變異規律相似。隨竹稈高度的增加，其縱向抗壓強度、縱向抗剪強度、抗彎強度均呈增大趨勢；4年生毛竹的力學性能總體優于6年生毛竹。

毛竹；圓竹；竹片；力學性能

竹材是一種重要的森林資源，隨著竹材加工技術的發展，竹材在建筑行業的利用越來越廣泛，以竹代木成為解決目前木材資源匱乏的最佳途徑[1]。毛竹分布自秦嶺、漢水流域至長江流域以南和臺灣省，黃河流域也多處有栽培，是我國分布面積最大，用途最廣，經濟效益最佳，生態適應性較強的竹種，也是我國最主要的材用竹種[2]。力學性質是竹材基本的材性指標，也是衡量竹材質量的重要指標，深入了解竹材的力學性能，對充分合理利用竹材資源具有十分重要的意義。

目前，對竹材力學性能的研究測試多是以竹片作為測試單元，探討竹齡、竹稈部位、方向等對竹材物理力學性質的影響[3-7]，在現代竹木建筑中，圓竹經常通過巧妙的連接件、加強箍等方式被用作當立柱、簡支梁、樁等結構構件[8]，作為此種結構構件圓竹力學性能的研究顯得尤為重要。但目前僅部分國內外學者對圓竹用于建筑領域的抗彎、抗剪、抗壓等力學性能進行了相關研究[9-12]，且對圓竹的物理力學性能測試國內還沒有相關的測試標準。本文通過對毛竹圓竹的力學性能進行測試，與毛竹竹片的力學性能測試結果進行了對比分析，同時，分析了毛竹圓竹在竹齡、竹稈部位的力學性能變異規律，以期為圓竹的實際應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

毛竹Phyllostachys pubescens于2011年10月下旬，采集于江西資溪。竹齡為4年生和6年生，從胸高直徑100 mm以上，不少于100株的樣竹中，分散選取有代表性、無缺陷竹子。每株從離地約30 mm的整竹節處，向上截取3段約3 m長的圓竹作為試材，分為上、中、下3部分，并氣干待用，含水率約為12﹪～18﹪。

1.2 試驗方法

依據GB/T 15780-1995[13]，對毛竹竹片的物理力學性能進行測試；依據ISO 22157-1:2004 (E) 和ISO 22157-2:2004(E)，對圓竹的力學性能進行測試。

1.3 試驗設備

力 學 試 驗 機（INSTRON-5582）、 濟 南試金力學試驗機（WDW-300E）、推臺鋸（FESTOOL-CS70）、切割鋸（J1G-355）、砂光機（FESTOOL-CMB120）、電鉆、力矩扳手、烘箱、電子數顯卡尺等。

2 結果與分析

2.1 測試單元對毛竹力學性能測試結果的影響

不同的測試單元所測得的毛竹各項力學性能結果不同，以竹片為單元和圓竹為單元的6年生中部毛竹力學性能測試結果如表1所示。

表1 竹材力學性能Table 1 Mechanical properties of bamboo wood

由表1可以看出：不同的測試單元對毛竹力學性能測試結果有一定影響，以竹片為單元的毛竹縱向抗壓強度大于圓竹縱向抗壓強度。這是因為在標準GB/T 15780-1995[13]中竹片縱向抗壓強度測試的試件尺寸為（20×20×t）mm，試件尺寸較小，測試過程發生的是單純的順紋抗壓破壞，而表1中圓竹縱向抗壓強度試件是直徑約90 mm、長約90 mm的圓竹，在測試過程中試件不僅發生抗壓破壞，竹壁還發生了彎曲破壞，綜合體現的是材料和中空結構復合的破壞特征，因此測得圓竹的縱向抗壓強度略小于竹片的縱向抗壓強度。雖然圓竹縱向抗壓強度較小，但是在試件具有較大尺寸的情況下，仍具有較高的強度，表現出了圓竹中空結構的優越性。圓竹的縱向抗壓典型破壞示意圖如圖1所示。

圖1 圓竹縱向抗壓試件典型破壞Fig.1 Typical failure of longitudinal anti-pressure of bamboo-culms specimen

竹片縱向抗剪強度略小于圓竹縱向抗剪強度。這是因為竹片和圓竹抗剪強度的測試，具有相同的測試原理，之所以圓竹抗剪強度較高，是因為在測試過程中，試件剪切面為4個，為一個有機整體，有效的提高整體結構的剪切強度。圓竹的縱向抗剪典型破壞示意圖如圖2所示。

圖2 圓竹縱向抗剪試件典型破壞Fig.2 Typical failure of longitudinal shear resistance of bamboo-culms specimen

竹片抗彎強度要遠大于圓竹抗彎強度。這是因為圓竹作為一個中空結構的材料，進行彎曲性能測試，當達到最大彎曲載荷時，其空心結構被壓潰，或者竹壁產生錯位剪切破壞，使得圓竹的抗彎承載能力下降，但是并沒有喪失承受彎曲荷載的能力，這與竹片抗彎性能測試有很大的不同。圓竹抗彎性能測試示意圖如圖3所示。因此，在實際應用過程中，只有對圓竹進行實測，才可以確定其抗彎承載性能，以確保使用的安全性。

圖3 圓竹抗彎性能測試Fig.3 Bending performance of bamboo-culms specimen

2.2 圓竹力學性能變異規律

2.2.1 圓竹縱向抗壓性能

毛竹圓竹不同竹齡及部位的縱向抗壓性能測試結果如表2所示。

從表2可以看出：同一竹齡毛竹（4年或6年）不同部位的圓竹縱向抗壓強度差異較大，并且不論是4年生的還是6年生的毛竹其縱向抗壓強度均是底部抗壓強度＜中部抗壓強度＜頂部抗壓強度；而竹稈同部位，4年生毛竹和6年生毛竹其縱向抗壓強度差異較小，其中僅6年生毛竹頂部抗壓強度＞4年生毛竹頂部抗壓強度，對于中部與底部，均是6年生的略小。

2.2.2 圓竹縱向抗剪性能

毛竹圓竹不同竹齡及部位的縱向抗剪性能測試結果如表3所示。

由表3可以看出：同竹齡毛竹竹稈不同部位的縱向抗剪強度為底部抗剪強度＜中部抗剪強度＜頂部抗剪強度，并且3個部位強度大小差值相對較均勻；竹稈同部位不同竹齡毛竹縱向抗剪強度均是：4年生毛竹抗剪強度略微大于6年生毛竹抗剪強度。

表2 不同竹齡及部位圓竹縱向抗壓性能Table 2 Longitudinal anti-pressure of bamboo-culms specimen of different ages and parts

表3 不同竹齡及部位圓竹縱向抗剪強度Table 3 Shear strength of different ages and parts of the culms

2.2.3 圓竹抗彎強度

毛竹圓竹不同竹齡及部位的抗彎性能測試結果如表4所示。

由表4可以看出：同竹齡毛竹不同部位的圓竹抗彎強度均為底部抗彎強度＜中部抗彎強度＜頂部抗彎強度；竹稈同部位不同竹齡毛竹抗彎強度均是4年生毛竹抗彎強度＞6年生毛竹抗彎強度。

表4 不同竹齡及部位圓竹抗彎強度Table 4 Bending strength of different ages and parts of the culms

毛竹圓竹與毛竹竹片的力學性能變異規律類似：同竹齡的毛竹竹稈自基部至頂部其縱向抗壓強度、縱向抗剪強度、抗彎強度均呈增大趨勢，這主要是由于隨竹稈高度的增加，竹壁厚度減小，竹稈密度逐漸增大[14]；相對部位相同的毛竹，4年生毛竹總體性能優于6年生毛竹。

在圓竹的實際應用中其抗壓性能和抗剪性能的判斷，在很大程度上可以用竹片性能測試來代替，不僅能有效節省實驗原材料，而且由于竹片所能承受的最大載荷遠低于圓竹，可降低對實驗儀器設備的要求。但是圓竹抗彎性能不能采用竹片抗彎性能測試結果來代替，要進行實際測試來獲得。

3 結 論

不同的測試方法對毛竹力學性能測試結果有一定的影響，毛竹圓竹和毛竹竹片的抗壓強度、抗剪強度相差不大，但是抗彎強度大小差異較大，這主要與圓竹壁薄中空的特殊構造有關。

毛竹圓竹的力學性能與竹稈部位有密切關系，隨竹稈高度的增加，自基部至頂部，圓竹縱向抗壓強度、縱向抗剪強度、抗彎強度均呈增大趨勢。

毛竹圓竹的力學性能與竹齡相關，4年生毛竹各項力學性能總體優于6年生毛竹。

以圓竹為測試單元和以竹片為測試單元的毛竹力學性能變異規律相似，兩者均能反映毛竹材力學性能變化規律。

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Mechanical properties of Phyllostachys pubescens

ZHANG Dan, WANG Ge, ZHANG Wen-fu, CHENG Hai-tao
(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

An experiment was conducted to study the mechanical properties of Moso bamboo-culms. It can be found that the test results of bamboo-culms differed from bamboo sheets, but the variation laws of mechanical properties between bamboo-culms and bamboo sheets were similar at bamboo age and stem position. As the height of the culms increased, the longitudinal compressive strength,longitudinal shear strength and bending strength showed an increasing trend；the mechanical properties of 4-year-old Moso bamboo were better than that of 6-year-old.

Phyllostachys pubescens；bamboo culms; bamboo sheets; mechanical properties

S784

A

1673-923X (2012)07-0119-05

2012-03-26

林業公益性行業科研專項重大項目（201204701）

張 丹（1988—），女，碩士研究生，主要從事木材科學與技術的研究；E-mail：zhangdan19880403@126.com

王 戈（1965—），男，博導，研究員，主要從事木材科學與技術的研究；E-mail：wangge@icbr.ac.cn

[本文編校：歐陽欽]