膠合竹柱偏心受壓試驗研究

劉常浩 李昂 徐明

（東南大學土木工程學院 南京211189）

引言

作為一種綠色建筑材料，竹材受到越來越多學者的關注[1-8]。我國竹材資源豐富，將其應用于建筑領域，有利于推動建筑工程實現綠色環保及可持續發展。膠合竹材是將形狀不規則的原竹截斷開條，經修平、拋光等處理得到竹條，再同方向組坯，經膠合、熱壓等多種工藝所制成的具有一定規格的板材。

何敏娟等[1]和Juan F.Correal等[2]開展了膠合竹材的抗壓、抗拉和彎曲強度等力學性能試驗，結果表明膠合竹材具有足夠的強度和剛度，滿足建筑結構對材料主要力學性能的要求；陳偉[3]開展了竹集成材單向偏壓構件力學性能的試驗研究，推導了構件的側向位移量和承載力計算公式；肖巖等[4]研究了軸心受壓下格魯斑膠合竹柱的力學性能，提出了膠合竹柱設計的一些建議；魏洋等[5]對重組竹柱的偏心受壓力學性能進行了試驗研究，提出了重組竹柱偏心受壓承載力的計算方法；P.Luna等[6]研究了膠合竹柱軸心受壓的力學性能，分析了長細比對試件軸心受壓力學性能的影響；李海濤等[7]開展了膠合竹柱弦向偏心受壓和徑向偏心受壓的力學性能試驗研究，給出了膠合竹柱偏心受壓極限承載力的計算公式。

總體來說，目前對于膠合竹柱偏心受壓下力學性能的研究較少，而在實際建筑結構中，柱子通常處于偏心受壓狀態，即使是理論上的軸心受壓柱，也會因為制作、安裝誤差等原因，具有一定的偏心距。因此，對膠合竹柱偏心受壓力學性能的研究很有必要，本文將對具有不同初始偏心距的膠合竹柱展開偏心受壓力學性能的試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗采用的膠合竹材由福建某公司生產。通過對膠合竹材小尺寸試件開展力學性能試驗研究[8]可知：含水率約為5.9%，氣干密度約為600kg／m3；順紋抗壓強度為59.63MPa，極限壓應變為7.39%，壓縮彈性模量為12087MPa；順紋抗拉強度為104.16MPa，極限拉應變為1.15%，拉伸彈性模量為10820MPa；泊松比為0.28。圖1為膠合竹順紋拉壓應力-應變曲線。

圖1 膠合竹順紋拉壓應力-應變曲線Fig.1 Stress and strain curves of laminated bamboo under tension and compression parallel to grain

膠合竹為典型的各向異性材料，可分為三個方向：縱向順紋（L）、徑向橫紋（R）、切向橫紋（T）。本試驗膠合竹柱偏心受壓方向選擇為徑向，通過在兩端添加牛腿實現，如圖2所示。依據《木結構試驗方法標準》（GB／T 50329-2012）[9]，考慮偏心距的影響設計膠合竹偏心受壓柱試件，具體參數見表1。

圖2 膠合竹柱試件Fig.2 LBL column specimens

表1 膠合竹柱試件參數Tab.1 Parameters of LBL column specimens

1.2 試驗加載設計與測點布置

試驗在東南大學土木工程學院實驗中心進行，加載設備為500T長柱試驗機與100T螺旋式千斤頂，試件兩端均為單向刀鉸支座，上端與試驗機相連，下端置于千斤頂頂部。試驗中，通過搖動千斤頂的手柄帶動螺紋對試件進行位移加載，依據《木結構試驗方法標準》（GB／T 50329-2012）[9]，加載速率為1mm／min，當加載至接近極限荷載時，適當放慢加載速率。當試件發生斷裂或荷載下降至極限荷載的80%左右時，判定為試件破壞，停止加載，終止試驗。試驗加載裝置如圖3所示。

柱頂設有100T壓力傳感器以測量試件試驗過程中承受的荷載；在刀鉸支座端板四周安裝了位移計，以測量試件兩端的轉動和平動；在柱高四分點安裝3個橫向位移計，以測量試件的側向位移；在試件跨中截面處受壓面、受拉面和兩個側面粘貼了總共8個豎向電阻應變片，以測量縱向應變。位移計和應變片的布置如圖4所示。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test setup

圖4 位移計和應變片布置（單位：mm）Fig.4 Displacement meters and strain gauges layout（unit：mm）

2 結果與討論

2.1 試驗加載過程與破壞形態

對于不同的偏心受壓試件，在加載過程中的破壞現象基本相似。在加載的初始階段，試件處于彈性階段，隨著荷載的增加，各測點應變、撓度也相應地增大，但試件的變形不是很明顯；隨著荷載繼續增加，側向撓度不斷增加，當截面受壓區邊緣應力達到材料抗壓比例極限強度后，截面進入塑性階段，在這一階段，柱彎曲較為明顯，試件轉角顯著增大；加載末期，荷載上升較為緩慢，而撓度增加速率明顯提高，直至跨中附近受拉側纖維被拉斷，出現裂縫并向中性軸的方向發展，最終試件失去承載力，試驗終止。試件的破壞形態如圖5所示。

圖5 不同偏心距下試件破壞形態Fig.5 Failure models of specimens with different eccentricities

試驗數據結果匯總見表2，其中Nul為極限荷載，wul為達到極限荷載時所對應的跨中側向位移，εt、εc分別為達到極限荷載時受拉、受壓邊緣應變，Sul為達到極限荷載時產生的軸向變形，Mul為達到極限荷載時的等效彎矩，Mul＝Nul（e0+wul）。

表2 試驗結果Tab.2 Test results

2.2 荷載-位移關系曲線

圖6給出了具有不同偏心距的試件所受荷載與跨中側向位移的關系曲線。

從圖6不難看出，試件在加載初期處于彈性變形階段，荷載與跨中側向位移幾乎成線性比例；隨著荷載逐漸增大，試件的剛度逐漸衰減，接近達到極限荷載時，荷載增加速率明顯降低，最終幾乎保持不變，而位移仍有較大的增長，此時材料處于塑性變形階段；加載末期，跨中位移增加速率明顯提高，直至試件變形過大而失去承載力。

對比偏心距不同的試件曲線可見：初始偏心距越大，試件的極限荷載越低，相同荷載作用下變形越大，試件越早進入塑性變形階段，達到極限荷載時的跨中側向撓度越大。

2.3 跨中截面應變曲線

典型試件Z-75-2和Z-125-1的跨中應變-截面高度曲線見圖7。

從圖7不難看出，在加載過程中，截面應變基本上保持線性比例關系，表明膠合竹柱在受力彎曲后，原橫截面仍保持為平面，并繞垂直于縱對稱面的某一軸旋轉，符合平截面假定。

圖6 構件荷載-跨中側向位移曲線Fig.6 Load and lateral deflection of the middle cross-section curves of columns

圖7 典型試件跨中截面縱向應變分布Fig.7 Axial strain distribution at middle cross-sections of typical specimens

2.4 側向撓度曲線

典型試件Z-25-2和Z-125-1的側向撓度曲線見圖8。

也正是冤家路窄，柳紅驚恐萬狀地竄出玉米地，就瞧見那個偷瓜賊抱著一只大西瓜，篤悠悠地朝玉米地走來，他大概也把這片玉米地當作掩護偷盜的天然屏障了。癩阿小走到玉米地邊上，剛想松口氣的當兒，柳紅突然從玉米地里跳將出，沖他大喝一聲。與其說他是被柳紅嚇倒了，倒不如說是被這種突發性的狀況所嚇倒了；癩阿小見到柳紅就跟見到鬼似的。不由自主地扔下那只大西瓜，轉身就跑。

圖8 典型試件側向撓度曲線Fig.8 Lateral deflection curves of typical specimens

由圖8可知，具有不同偏心距的試件在不同等級荷載下，其變形曲線形狀均比較相似。對于兩端鉸接的柱子，其側向撓度曲線接近正弦半波曲線，可用式（1）表示：

其中：w為各級荷載下試件的側向撓度；wm為各級荷載下試件跨中撓度；H為試件各點距離柱底的距離；L為試件長度。

2.5 偏心受壓承載力計算

膠合竹偏心受壓柱極限承載力的計算公式可表達為：

其中：Nu為膠合竹柱偏心受壓的極限承載力；φe為考慮偏心距影響的承載力折減系數；N0為膠合竹柱軸心受壓的極限承載力。

圖9為偏心受壓膠合竹柱承載力折減系數與偏心率的關系曲線。其中，試件Z-100-1的極限荷載甚至比試件Z-125-1和Z-125-2的極限荷載低，不符常理，故舍去。從圖9可以看出偏心率對φe的影響：隨著偏心率的增大，φe以曲線遞減的趨勢變化。

李海濤等[7]在對膠合竹柱偏心受壓力學性能進行試驗研究時，關于考慮偏心距影響的承載力折減系數φe給出了建議使用的計算公式：

圖9 各試件偏心距影響系數與偏心率關系曲線Fig.9 Eccentricity influencing coefficient and eccentricity ratio relationship curves of specimens

由于試驗試件尺寸的不同，公式中的參數具有一定差異，結合方佳偉[10]關于膠合竹柱軸心受壓極限承載力計算公式的研究，對膠合竹柱偏心受壓極限承載力簡化計算公式進行參數化分析[11]，推薦計算公式如下：

式中：Nul為偏心受壓承載力（單位：N）；φ0為同一尺寸構件軸心受壓穩定系數；fc為膠合竹順紋抗壓強度（單位：MPa），本試驗為59.63MPa[8]；A為截面面積（單位：mm2）；e0為初始偏心距（單位：mm）；h為截面高度（單位：mm）；λ為長細比。

按公式（4）求得各試件的偏心受壓承載力理論計算值Nul，并與試驗實測值Nu相比較，列于表3。其中，除了偏心距為100mm的試件承載力實測值Nu僅取試件Z-100-2的實測數據，其余各偏心距組別的承載力實測值Nu取該組別兩試件實測值的均值。

由表3可知，試件承載力計算值與實測值相對誤差最大僅為7.33%，所有試件均不超過10%，可見公式（4）計算結果與本試驗實測結果吻合良好。

表3 公式（4）計算結果與試驗結果對比Tab.3 Comparison between calculation results by formula（4）and test results

需要指出的是，式（4）適用于截面尺寸較小的徑向偏心受壓膠合竹柱，對于截面尺寸較大以及偏心受壓方向非徑向的膠合竹柱，式（4）是否適用有待進一步研究。

3 結論

1.對于不同的偏心受壓膠合竹柱試件，達到極限荷載時，試件均因跨中附近側向位移過大而導致受拉側竹纖維斷裂，試件破壞。

2.試件在彎曲變形過程中，跨中截面平均應變基本呈線性分布，符合平截面假定；膠合竹偏心受壓柱試件的側向撓度曲線基本符合正弦半波曲線。

3.對于偏心受壓膠合竹柱，隨著初始偏心距的增大，試件的極限荷載降低，相同荷載下的側向位移增大，彎曲變形更加顯著。

4.隨著偏心距的增大，偏心受壓膠合竹柱的考慮偏心距影響的承載力折減系數呈曲線遞減的趨勢變化，由此提出了膠合竹柱偏心受壓承載力計算方法，相對誤差均小于10%，計算結果與本試驗結果吻合良好。對進一步研究確定截面尺寸較大以及承受弦向或縱向偏心壓力的膠合竹柱承載力計算公式具有一定的參考價值。