竹筋實木組合空心柱的制作與力學性能試驗

沈 搏，陳 強，譚 聰，俞 靜，包燕敏

(湖南城市學院土木工程國家級實驗教學示范中心，湖南 益陽 413000)

0 前 言

隨著時代的發展，人們越來越重視對于環境的保護、提倡低碳環保建筑，于是專家學者們開始尋找新型的綠色建材。徐濟德[1]的研究表明我國具有豐富的竹材、木材資源。竹材具有抗拉強度高、生長周期快、再生能力強、造價低等優點，我國對于竹子材料物理力學性能的研究比較多，但是對竹木組合結構的研究還很少。原竹結構柱抗壓強度低，不適合作為承重構件；實木柱整體強度偏低，木質結構柱采用實心柱，柱重且隔音、隔熱效果差；原木柱用材規格太高，原生態長和粗的原木取材難、價格昂貴，現有原木難以滿足工程要求。

竹木組合結構能同時發揮竹材的強抗拉性能和木材的抗壓性能。本實驗通過將竹筋與組合柱膠合，組合成竹筋實木組合空心柱。制作過程主要包括木柱材料的選材、材料的切割加工、空心柱的拼接、干燥和保養、毛竹加工、拼接空心柱、綁扎竹筋。通過無醛化學膠結料，將不同長度的實木塊膠合成實木空心圓筒，將實木空心圓柱毛坯表面打磨處理，再在打磨處理實木空心圓柱表面涂膠纏繞竹筋材料。

竹筋實木組合空心柱充分利用原生態原木與竹筋，創造出一種自重輕，抗震性能好、節能、綠色、環保、隔音、隔熱、經濟的建筑材料。能有效降低人們對化學石油材料的過分依賴，實現了零排放，既有利于改善人的生活環境，又促進地區經濟的良性發展，能帶來良好的社會和經濟效益。

1 研究現狀

國內外學者圍繞此問題進行了各式各樣的試驗研究與大膽設想：郎建珂、陳強、王解軍等[2]制作了竹-短木組合梁并進行試驗研究；劉圣賢、陳強、劉孫昆、時新濤、張慧、范軍、譚聰等[3]對竹筋實木組合板進行了設計制作和試驗；沈玉蓉[4]對竹(木)梁、柱做了非彈性分析；周華樟、祝恩淳、周廣春等[5]仔細研究了膠合木曲梁橫紋應力情況，并對應縣木塔作了精細化有限元分析的研究；孫玲玲[6]進行了重組竹順紋單軸應力-應變關系研究，明確重組竹材具有優越的抗拉性能。

王倩[7]進行了落葉松膠合木柱力學性能試驗研究，選取分布廣泛的東北落葉松為原材料、間苯二酚為膠黏劑制造膠合木構件,進行橫紋抗壓、順紋抗壓、分級循環加載試驗,研究其抗壓及延性性能,并推導構件內應力分布公式,最后應用ANSYS有限元建模分析，得出了橫紋抗壓與順紋抗壓均屬塑性破壞；橫紋抗壓塑性階段較長且應力幾乎無變化,順紋抗壓塑性階段較短且應力突然變小；橫紋分析抗壓橫紋抗壓極限承載力明顯低于順紋抗壓。應用ANSYS有限元建模分析得出軸壓時順紋方向應力、應變分布均勻,橫紋方向從形心向邊界逐漸增加。

2 試件材料及其制作

2.1 材料準備

1)竹材：選用由湖南省益陽市生產的毛竹，由4～6年生的毛竹經過加工，規格為nmm×10 mm×1 mm(n根據綁扎要求確定，此次試驗n為1)，密度為0.800 g/cm3，含水率為12%，竹條順紋軸拉強度平均值分別為185.14 MPa，竹青條竹黃條材料強度見圖1，由實驗易得竹青材料強度為竹黃的1.76倍。

2)木材：選用樟子松，截面尺寸根據空心模具大小加工能放進模具為標準系列實木方，長度10～100 cm，其密度為432 kg/m3，含水率12%，彈性模量6622 MPa。

3)膠結材料：采用無醛木工膠，頂力無醛木工膠800特效型拼接膠。

2.2 尺寸設計

根據工程需要，滿足安全、經濟、適宜、美觀的前提下選擇合適空心柱尺寸，本文采用的是竹筋實木組合空心柱尺寸見圖2。

圖1 竹青、竹黃強度對比

圖2 空心木柱尺寸

2.3 制作過程

1)毛竹加工成順著纖維方向排列，做成厚1 mm的長條，長度按工程要求設置，寬度10 mm竹筋材。

2)根據工程柱結構大小，雙層空心模具要求，將零碎實木方放入模具的夾層中，利用膠結料指接膠合成標準長度實木空心圓筒，雙層空心模具為一定標準長度的兩種規格，直徑大小按滿足工程要求設置。

3)將拆模后膠結形成一定長度、厚度的實木空心圓筒，選擇相同大小的實木空心圓筒拼接成一定長度的實木空心圓柱毛坯，拼接過程見圖3。

圖3 拼接過程實物圖

4)將實木空心圓柱毛坯在加工機械上進行表面打磨處理，再以打磨處理后的實木空心圓柱為母胎固定在旋轉加工機械上，再順時和逆時兩個方向上螺旋纏繞竹筋，利用膠結料形成竹筋實木組合空心圓柱。如圖4。

圖4 最終成品實物圖

3 試驗概況

3.1 實驗設備與裝置

本次短柱試驗加載設備選用湖南城市學院土木工程國家級實驗教學示范中心液壓機數顯壓力試驗機YES-5000，應變數據采用程控靜態電阻應變儀 XL2001C采集，位移數據通過精度0.01 mm數顯百分表采集。

3.2 電阻應變片粘貼位置

軸心壓桿側向撓度的測定,在空心柱縱向中心位置按照四等分的位置A、B、C、D放置百分表。

縱向應變和橫向應變的測定，在空心柱縱向1/4、1/2、3/4處按照圓周6等分，粘貼縱向和橫向應變片，縱向應變片應該在空心柱的軸線上面，橫向應變片要在空心柱的橫截面上。應變片的位置見圖5。

圖5 應變片以及百分表放置位置示意

3.3 加 載

根據《木結構試驗方法標準》(GB/T 50329—2012)軸心壓桿試驗。在正式加載之前,應對安裝好的試驗柱進行預加F1,預加荷載值F1可取估計破壞荷載的1/15～1/20，用靜態電阻應變儀測應變值ε,再加荷載到F1,后測相應的應變值ε1,然后卸荷到F1,反復進行5次,隨即以均勻的速度逐級加載至試件破壞,每級荷載為ΔF,并讀出各級荷載下的應變值與側向形變值。

本實驗預估破壞荷載為1 100 kN，正式加載前對試件先進行15 kN的預加載,反復進行5次,觀察每次測試的應變值是否均勻、穩定。完成預加載后卸載至0后以0.2 mm/min的速度勻速加載至試件破壞。每加載20 kN記錄一下靜態應變儀相應受力狀態下應變值和百分表的讀數。在試驗過程中,當試驗機加載到最大荷載后回退到極限荷載的85%或在此之前試件材料斷裂，即認為試件喪失承載能力而達到破壞。實驗加載過程見圖6。

圖6 加載過程圖

4 試驗對比

由試驗可得，實木組合木柱和竹筋實木組合木柱的破壞形態主要是整體壓屈破壞，在荷載達到極限荷載約85%時，都有著側向位移迅速增大的情況出現。實木組合木柱的抗壓承載力最低為940 kN，最高為1 100 kN。

試件樣本標準差：

樣本平均標準差：

試驗變異系數：

極限荷載強度：

實木組合柱與竹筋實木組合柱抗壓荷載見圖7。

圖7 實組合木柱與竹筋實木組合木柱荷載對比

竹筋實木組合木柱的最低值為1 097 kN，最高值為1 140 kN，由上式得試件樣本標準差為24.00，樣本平均標準差為13.86，試驗變異系數為0.02，極限荷載強度為1 112.33 kN。

將實木組合木柱和竹筋實木組合木柱的極限荷載進行對比，能夠明顯地看到加入竹筋的組合木柱較實木組合木柱在極限荷載方面有了較大的提升，極限承載力提升了約11.6%，可以認為此次試驗滿足了要求，也驗證了竹筋實木組合木柱的制作方法能夠明顯地提升木柱的承載力。

5 試驗結論

1)竹筋和木材粘貼在一起能夠共同工作，竹木組合材料具有良好的復合力學效應,能夠充分發揮竹材抗拉性能和木材厚實和承重性能。

2)竹筋實木組合空心柱具有優良的承載能力，與實木組合空心柱原木柱比較，承載力提高了5%。

3)對驗算木柱結構的承載能力具有指導意義，可為實際生產提供借鑒意義。

6 結 語

本文提供了利用小木柱進行竹筋實木組合空心柱設計，其不僅滿足承載力要求，同時外形美麗大方，達到了結構與造型合理組合的目的。解決了大型實木用料不足和尺寸小的木材不能用作木結構建筑中的結構柱的問題，對現實生活中木結構生產具有一定借鑒意義。