新型嵌入式鋼筋增強竹梁力學性能試驗研究

陳冬劍，周正偉，潘利群

(南京林業大學土木工程學院，南京210037)

在當前發展低碳經濟的大背景下，綠色、生態、環保、低碳的新型建筑結構材料是土木工程科技發展的必然方向。竹材最大的優勢是綠色環保和原材料可再生，竹材的成材期一般為2～4a(木材要20a)，強重比遠勝于混凝土等材料，較好的彈性與韌性保證了其具有良好的變形能力。此外，利用竹質工程材料建造的竹結構建筑［1～2］、橋梁體系也已經得到了實踐應用。但是，作為竹結構的主要受力構件，無論是采用竹簾膠合板、竹材層積材，還是竹材重組材加工制作，其在應用中存在以下問題［3～4］:

(1)竹材的彈性模量低，竹材受彎構件的設計都為截面的剛度控制。

(2)竹梁截面下部受拉區的缺陷對強度降低的影響較大，力學性能較為離散。

(3)脆性的破壞模式與結構構件對延性的需求不相符。

針對傳統竹結構的應用不足，本文提出一種增強竹梁，在不改變竹材重組竹加工工藝的情況下，利用嵌入式［5］加固技術將鋼筋復合于竹梁的受拉區，通過試驗初步驗證其增強效果。

1 竹梁制作工藝及試驗概況

1.1 嵌入式鋼筋增強竹梁制作工藝

增強竹梁與對比竹梁均采用現代竹材重組工藝加工制作，其竹材原料應采用竹身彎曲程度較小，竹齡在3a以上的毛竹，竹材剖篾后，根據生產工藝要求，篾片的含水率應控制在10%～14%以保證其產品質量。本試驗所用重組竹材由生產廠商直接提供，鋼筋選用直徑12mm和16mm的Ⅱ級螺紋鋼筋，嵌入式鋼筋增強竹梁其關鍵工藝為:重組竹構件成型－開槽－嵌入鋼筋－浸膠－竹條封面(如圖1所示)。

在構件制作過程中需注意如下幾點:

(1)開槽方向沿構件軸線方向，槽寬和槽深需大于鋼筋的直徑。

(2)鋼筋布置于開槽內且為粘結填充材料 (結構膠、環氧樹脂、乙烯基樹脂中的一種)所包裹。

(3)封面竹條通過粘結填充材料與竹材相粘結覆于槽口處，其寬度與開槽的槽口寬度相同且外表面與開槽外口齊平。

1.2 試驗概況

參考GB/T 50329－2002《木結構試驗方法標準》的規定，本試驗所采用試件尺寸為1870mm×160mm×106mm，鋼筋距離底面20mm，構件截面形式分三種即不開槽的對比梁、開一條槽的配筋竹梁和開兩條槽的配筋竹梁，構件詳細參數見表1。

圖1 增強竹梁工藝Fig.1 Technology of bamboo beams reinforced with near surface mounted steel bars

表1 試驗構件參數Tab.1 Parameters of specimens

加載試驗為靜載試驗，采用兩點勻速加載，具體加載情況和試驗裝置如圖2所示。試驗梁全長在1 870mm左右，凈跨距1 710mm，梁居中放置，集中荷載作用點間距570mm。試驗初期加載速度為2mm/min，在接近理論最大荷載時速度變為1.5mm/min，以便觀察試件的具體破壞過程。

圖2 跨中截面測點布置及加載情況Fig.2 Measuring points arrangement of the mid-span section and loading

為了記錄梁試件側面和上下底面的應變，在三個面上分布了9個電阻應變片1#～9#，具體的分布位置如圖2所示。應變片都布置于梁跨中L/2的位置，這個位置應變相對較大，也是最容易破壞的位置。在上頂面和下底面縱向中軸線兩邊各15mm處布置應變片，用來測量上頂面和下底面的應變情況;在正側面縱向中軸線和距離中軸線25mm，55mm的上下側共五處布置應變片。荷載大小由頂端傳感器測出，對于試件位移采用位移計來量測，在梁L/4，L/2，3L/4的位置下部架設位移計百分表，在梁頂面支座處布置兩個位移計百分表 (如圖2所示)，在試驗過程中同時觀察記錄竹梁破壞形態。

2 試驗結果及分析

2.1 試件荷載－跨中位移關系曲線

作為四根對比梁的代表，由對比梁試件B1(B1與四根對比梁的試驗平均值相近)的荷載－跨中位移曲線 (如圖3所示)可見隨著荷載的增加，初期跨中位移呈線性增加，當加載到一定程度后，曲線呈現非線性變化，說明試件進入塑性階段，當加載接近極限荷載時，曲線逐漸平緩，荷載上升很慢;試件在達到極限荷載后，承載力迅速下降。根據我國《木結構設計規范》［6］規定，作為結構的受彎構件，梁和格柵的撓度限值為L/250，而試件B1與四根增強梁B－S12－1、B－S16－1、B－S12－2、B－S16－2對應極限荷載時的撓度分別為跨度 L(取凈跨1710mm)的1/40、1/44、1/36、1/38和1/43，都遠遠超過《木結構設計規范》規定的L/250的限值，由此可見鋼筋增強竹梁的設計荷載仍然是由其截面剛度控制。

圖3 荷載－跨中位移對比關系曲線Fig.3 Contrast relation on load and mid-span deflection

2.2 破壞形態分析

通過對四根對比竹梁的試驗研究，無配筋竹梁呈現出兩種破壞形態 (如圖4所示)，一種是竹梁底部跨中附近竹材纖維達到極限拉應變發生斷裂(如試件B1、B2和B3)，裂口將由底面向上發展約10～20mm，而后沿試件軸線方向形成水平裂縫向左右開展，整個過程發生時間較短，一旦開裂，荷載即達到峰值，而后迅速下降;另一種破壞形態(如試件B4)為竹梁試件截面中部突然發生沿試件縱向的剪切破壞，該破壞形態一旦發生伴隨轟然巨響，于截面中部形成一條水平裂縫貫穿至竹梁的兩端。回顧四根對比梁的試驗過程，在破壞時四根對比梁都呈現出顯著的撓曲變形。

圖4 對比梁試件典型破壞形態Fig.4 Failure modes of bamboo beams without steel bars strengthening

圖5 增強竹梁破壞形態Fig.5 Failure modes of bamboo beams reinforced with near surface mounted steel bars

四根增強竹梁的竹材在破壞形態上與圖4所示對比梁的破壞形態1相似，但受竹梁底部開槽影響，裂口在底面的開展并不延續 (如圖5(a)所示);鋼筋的嵌入在一定程度上提高了竹梁的剛度，增強竹梁沿水平方向分層逐漸拉斷 (如圖5(b)所示);破壞后的增強竹梁鋼筋并未發生縱向滑移，但由于跨中封面竹條開裂以及位移的增大，鋼筋隨著竹梁發生彎曲變形，在卸載后，竹梁自身能夠回復大部分的位移，鋼筋的變形不能回復，因而鋼筋與竹梁底面在豎向存在殘余位移偏差 (如圖5(c)所示)。總的來說，增強竹梁破壞前具有一定的征兆，且隨著鋼筋屈服和竹材纖維的拉斷，鋼筋屈服后依舊提供一定的彎曲承載力，試件臨近破壞時有明顯的撓曲變形。

2.3 截面剛度及應變分析

表2給出了各試件的試驗結果及剛度分析，四根增強竹梁B－S12－1、B－S16－1、B－S12－2和B－S16－2的極限荷載分別為 171.65kN、184.70kN、171.89kN、173.14kN，相比于四根對比梁的平均值提高17% ～26%，強度得到很好的提高，但通過改變鋼筋數量極限荷載并未出現顯著提高，分析原因可能是受拉區竹材纖維達到極限拉應變開裂破壞控制極限狀態。各增強竹梁對應規范撓度限值L/250時的荷載PL/250分別為35.57kN、34.09kN、31.67kN、34.28kN，相比于對比梁的平均值27.76kN提高了14%～28%，這說明鋼筋較高的彈性模量對增強竹梁的剛度改善起到了良好的作用效果。

表2 各試件試驗結果及截面剛度分析Tab.2 Experimental results of specimens and analysis of section stiffness

圖6給出了部分試件跨中截面各測點的應變隨荷載的變化，正值表示拉應變，負值表示壓應變，在整個加載過程中，各測點處竹材應變與荷載關系近似為線性變化，應變于后期發展較快;以圖6所列三根試件 (B1、B－S12－1、B－S16－1)為例，在80kN時，三根試件的最大拉應變依次為3849με、3282με、2960με，最大壓應變依次為 －4202με、 －3845με、 －3200με，在 100kN 時，三根試件的最大拉應變依次為 5110με、4144με、3903με，最大壓應變依次為 －5536με、 －4957με、－4107με，就拉應變而言，B－S12－1試件減小約17%，B－S16－1試件減小約24%，這說明鋼筋的嵌入分擔了受拉區竹材的拉應力，其分擔效果受配筋參數的影響。

圖6 部分試件荷載－應變關系曲線Fig.6 Relationship between load and strain of part specimens

3 結論與展望

本文提出一種新型嵌入式鋼筋增強竹梁，利用嵌入式技術將鋼筋嵌入竹梁的受拉區進行竹梁增強，并進行了四根對比竹梁試件與四根嵌入式鋼筋增強竹梁試件的靜載試驗，試驗研究結果表明:

(1)對比竹梁呈現出兩種破壞形態，第一種為竹梁底部竹纖維脆性拉斷 (如試件 B1、B2、B3)，斷口向上開展并形成水平向裂縫，另一種(如試件B4)為竹梁截面中部突然發生沿縱向的剪切破壞形成貫穿至竹梁一端的水平裂縫;嵌入式鋼筋增強竹梁破壞形態類似于對比竹梁的第一破壞形態。

(2)相比于四根對比梁的平均試驗數據，在L/250的同級跨中位移下，增強試件的承載力提高了14%～28%，這表明了構件增強后剛度得到了顯著的提高，但是各試件對應極限荷載時的實際撓度都遠遠超過了我國《木結構設計規范》規定的L/250，嵌入式鋼筋增強竹梁仍然是截面剛度控制設計。

(3)通過對試驗后期各試件加載時的拉應變進行對比發現，鋼筋的嵌入分擔了受拉區竹材的拉應力，其分擔效果受配筋參數的影響。

目前，我國建筑結構多為磚混結構與鋼筋混凝土結構，然而磚混結構的抗震性能較差，混凝土結構構件存在自重大、抗裂性能差等缺陷，且其材料能耗高、污染大，與我國可持續發展戰略要求不符。竹結構具有類似木結構的優越性能，而本文提出了一種嵌入式鋼筋增強竹梁，可重點解決竹結構剛度低、力學性能離散、破壞模式脆性等應用缺陷。

此外，新型嵌入式鋼筋增強竹梁通過嵌入技術將鋼筋嵌入到竹梁內部，不易發生截面筋材位置的偏移，定位準確，質量可靠，嵌入工藝不改變竹梁原有的外形美觀性，在某些建筑結構中嵌入式鋼筋增強竹梁能夠成為鋼筋混凝土良好的替代品，從而發揮其更大的實用價值。

致謝:本文研究得到了南京林業大學魏洋副教授、李國芬教授的指導和支持，在此表示深深地感謝!

［1］呂清芳，魏 洋，張齊生，等.新型抗震竹質工程材料安居示范房及關鍵技術［J］.特種結構，2008，25(4):6 －10.

［2］呂清芳，魏 洋，張齊生，等.新型竹質工程材料抗震房屋基本構件力學性能試驗研究［J］.建材技術與應用，2008，(11):1－5.

［3］魏 洋，蔣身學，呂清芳，等.新型竹梁抗彎性能試驗研究［J］.建筑結構，2010，40(1):88 －91.

［4］魏 洋，蔣身學，李國芬，等.FRP筋增強竹梁的力學性能試驗研究［J］.工業建筑，2009，39(S1):327 －331.

［5］李 榮，滕錦光，岳清瑞.FRP材料加固混凝土結構應用的新領域 －嵌入式(NSM)加固法［J］.工業建筑，2004，34(4):5 －10.

［6］中華人民共和國國家標準.木結構設計規范(GB50005－2003)［S］.北京:中國建筑工業出社，2003.