赤水楠竹不同部位的力學性能對比分析

黃培東 羅全銳 楊 琴 郭麗娟 朱俊卿

（遵義職業(yè)技術(shù)學院，貴州 遵義 563000）

0 引言

我國將竹子作為建筑材料已有上千年歷史，但隨著工業(yè)浪潮的興起，建設(shè)者開始只注重建造速度和成本，竹材逐漸被工業(yè)化程度較高的鋼筋混凝土等材料代替。隨著人類生活水平的不斷提高，健康、環(huán)保、生態(tài)等觀念越來越深入人心，建設(shè)者又將目光放到了可持續(xù)再生的新型材料上。竹材因其生長周期快、質(zhì)量輕、強度大、生態(tài)環(huán)保等特點又一次進入建設(shè)者視野。

天然竹生長在自然界中，形態(tài)優(yōu)美，價格低廉，容易取得，是風格建筑師們的首選材料之一。近年來，利用竹材為原材料修建的著名建筑較多[1]，如墨西哥圖盧姆叢林中用于練習瑜伽、研討會等的竹亭Luum Temple；拉丁美洲第一個氣候變化主題公園“氣候之聲”生態(tài)公園內(nèi)建造的超300m2的竹頂公共禮堂；中國臺灣為展示低碳建筑材料如何為“我們下一代提供更宜居的環(huán)境”而在臺中建造的竹亭展館等建筑物，均體現(xiàn)了建造師們對環(huán)保材料的重視。

隨著人們對生態(tài)文明建筑的重視，我國不斷提出“綠水青山就是金山銀山”、“山水湖海林草沙一體化保護”、“碳達峰碳中和”等一系列政策，由此不難看出，竹材因其強度大、重量輕、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢在未來作為建筑材料肯定會受到大力推崇。因此，研究竹材力學性能，探索其在工程中的應(yīng)用途徑具有現(xiàn)實意義。

1 赤水楠竹力學性能試驗要求

本文主要選取貴州赤水河沿岸較為豐富的楠竹作為研究對象，按照《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》（JG/T199-2007）要求進行橫順紋抗壓、順紋抗拉、橫紋抗彎試驗，分析赤水楠竹上、中、下不同部位的力學性能，找出其沿著生長高度的力學變化規(guī)律，為后續(xù)在選取竹材作為建筑材料時提供參考。

1.1 試件選材要求

本次研究主要選擇3～9年竹齡的赤水楠竹，在選擇時應(yīng)保證竹材生長健康無病害，確保胸徑（距地面伐根處1.3m的竹材直徑）不低于100mm，高度不低于4.5m。在滿足上述條件的同時每個年齡段隨機砍伐30棵，每棵按上、中、下部位進行截取，每個部位長度1.5m；然后進行編號和密封，運輸至試驗室后進行自然風干3個月以上，再從30棵中隨機選取6棵作為試驗材料；最后進行試件加工制作，制作時每段兩端0.15m部分截掉不作為試驗材料，只截取中間1.2m作為最終試驗段，每段中由下至上第1～4竹節(jié)分別進行順紋抗拉、橫紋抗彎、順紋抗壓和橫紋抗壓試驗[2]。

1.2 試驗加載及數(shù)據(jù)處理要求

試驗時，選用專業(yè)夾具和萬能試驗機進行加載，試驗過程環(huán)境溫度和濕度、加載速度和加載終止條件應(yīng)符合《建筑用竹材物理力學性能試驗方法》規(guī)定。

試驗時應(yīng)盡可能多做幾組試驗，然后每棵選取1組、共6組數(shù)據(jù)進行變異系數(shù)驗算，如果某組數(shù)據(jù)符合表1的變異系數(shù)要求，則該組數(shù)據(jù)可以作為最終結(jié)果，否則選擇下一組數(shù)據(jù)或者重新試驗[3]。

表1 各試驗變異系數(shù)最大允許值

在計算變異系數(shù)時首先需求出試驗結(jié)果平均值：

式中：

∑xi——各個試樣試驗結(jié)果之和；

n——試樣的數(shù)量。

然后按照公式（2）、（3）計算試驗數(shù)據(jù)標準差及平均值標準差：

最后根據(jù)公式（4）求出變異系數(shù)V：

2 赤水楠竹力學性能分析

2.1 橫紋抗壓試驗

按照上述要求，橫紋抗壓試驗選取的是每棵竹子上、中、下部位中間2m的下端第一個竹節(jié)，按照試驗要求將該竹節(jié)加工成15mm×15mm×tmm（長度×高度×厚度）的試件（見圖1所示），同時確保加工誤差在0.1mm以內(nèi)，加載受力面足夠光滑。

圖1 橫紋抗壓試驗試件尺寸要求

赤水楠竹在橫紋方向的力學計算公式為：

式中:

fc,90,w——含水率為w時的橫紋抗壓極限應(yīng)力，N/mm2；

P——極限應(yīng)力，N；

l——試件的長度，mm；

t——試件的厚度，mm。

天然竹材在自然狀態(tài)下風干，正常情況下含水率在12%左右，因此，對于不同含水率狀態(tài)下的試件，最終試驗結(jié)果需要按照公式（6）進行修正，最終用試驗結(jié)果乘以修正系數(shù)得出含水率為12%時的橫紋抗壓強度[4]。

式中：

表2為橫紋抗壓試驗結(jié)果統(tǒng)計。

表2 橫紋抗壓試驗結(jié)果統(tǒng)計

將表2 繪制成橫紋抗壓強度曲線，見圖2 所示。從圖2可以看出：3～9年齡段的赤水楠竹其橫紋抗壓強度均隨距離地面的高度而上升，即同一棵竹子，其上部的橫紋抗壓強度較底部大；從增大幅度來看，4～5年最為明顯，這可能是楠竹頂部更容易接受風吹日曬的結(jié)果；而8～9年齡段較其他年份強度明顯降低，且頂部較底部強度增加幅度最小，可能是竹子老化和脆化的結(jié)果。

2.2 順紋抗壓試驗

順紋抗壓試驗所需試件與橫紋抗壓試驗完全相同，不同的是順紋抗壓試驗時加載的受力方向應(yīng)與竹紋方向平行。具體的公式如下：

式中：b——試件的寬度，mm。

同橫紋抗壓試驗相同，順紋抗壓試驗結(jié)果也需要進行修正，修正系數(shù)如公式（8）。

表3為經(jīng)過修正后的順紋抗壓強度試驗結(jié)果。

表3 順紋抗壓試驗結(jié)果統(tǒng)計

將表3繪制成圖3所示曲線，從圖3可以看出：3～9年齡段赤水楠竹順紋抗壓強度均存在越接近頂部強度越高的趨勢，但增加的幅度對于每個年齡的楠竹大致都差不多。

圖3 赤水楠竹不同部位的順紋抗壓強度曲線

2.3 橫紋抗彎試驗

橫紋抗彎試驗所需試件需做成220mm×15mm×tmm（長度×寬度×厚度）的尺寸，其理論計算公式如下：

同其他試驗一樣，橫紋抗彎試驗最終結(jié)果需按照公式（10）進行修正。

表4為經(jīng)過修正后的橫紋抗彎強度試驗結(jié)果。

表4 橫紋抗彎試驗結(jié)果統(tǒng)計

將表4繪制成圖4所示曲線，從圖4可以看出：3～9年齡段赤水楠竹橫紋抗彎強度均存在越接近頂部強度越高的趨勢；從增加幅度來看，3年、8年、9年增加最為明顯，5年的增加幅度最小。

圖4 赤水楠竹不同部位的橫紋抗彎強度曲線

2.4 順紋抗拉試驗

順紋抗拉試驗所需試件需做成330mm×15mm×tmm（長度×寬度×厚度）的尺寸，其理論計算公式如下：

同其他試驗一樣，順紋抗拉試驗最終結(jié)果需按照公式（12）進行修正。

表5為經(jīng)過修正后的順紋抗拉強度試驗結(jié)果。

表5 順紋抗拉試驗結(jié)果統(tǒng)計

將表5繪制成圖5所示曲線，從圖5可以看出：除年份為3年的赤水楠竹以外，4～9年齡段赤水楠竹順紋抗拉強度均存在越接近頂部強度越高的趨勢；從增加幅度來看，除4、5年幅度較小外，其他年齡段都較為明顯。

圖5 赤水楠竹不同部位的順紋抗拉強度曲線

3 結(jié)束語

通過對3～9年赤水楠竹的下、中、上部分別進行橫紋抗壓、順紋抗壓、橫紋抗彎、順紋抗拉等試驗，對試驗結(jié)果進行修正后可得出如下結(jié)論：

（1）無論是3～9年齡段赤水楠竹的橫、順紋抗壓強度，還是橫紋抗彎或者順紋抗拉強度，均存在越接近竹子頂部強度越大的規(guī)律；

（2）在試驗的3～9年赤水楠竹中，4年和5年上、中、下部的強度變化較小；

（3）工程中在利用赤水楠竹作為建筑材料（需破開非整體應(yīng)用）時，應(yīng)盡可能采用竹子的頂端部分。