竹材受彎構(gòu)件增強技術(shù)的研究進展

魏洋，王志遠，陳思，趙康，丁明珉

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210037)

在土木工程領(lǐng)域，竹結(jié)構(gòu)有著悠久的歷史，竹材屬于生物質(zhì)材料，符合生態(tài)環(huán)保、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的基本需求。自20世紀(jì)90年代以來，全球森林面積持續(xù)減少，而竹林面積不降反增。我國自2000年啟動天然林資源保護工程(天保工程)，2016年全面停止非天保工程區(qū)天然林商業(yè)性采伐。為緩解木材供需緊張的難題，我國一方面加大木材原材料進口，另一方面擴大速生商業(yè)林種植面積，但仍然存在進口木材風(fēng)險大、產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限、發(fā)展原料林周期長等突出問題。我國是世界上竹林面積最大的國家，使用竹材實現(xiàn)木材的功能需求是近年來的熱點研究方向。已有相關(guān)學(xué)者在原竹的材料物理性能方面開展了大量的研究工作，如彈性模量分布[1]、橫紋受力性能[2]、順紋受力性能[3]、溫度[4]和濕度[5]影響等。然而，天然原竹存在各向異性、尺寸不均、容易開裂、耐久性差等缺陷[6-7]，針對這些缺陷，相繼開發(fā)了多種竹質(zhì)工程材料，主要包括竹材膠合板[8]、竹簾層積材[9-10]、竹集成材[11-13]、重組竹[14-16]等，多所科研機構(gòu)對各種工程竹材的力學(xué)性能進行了大量研究[17-19]，研究發(fā)現(xiàn)，竹質(zhì)工程材料具有較好的力學(xué)性能[20-22]，以慈竹制作的重組竹為例[23]，其密度為1.1 g/cm3，順紋抗拉強度可達到248 MPa(超過常用鋼材Q235的屈服強度)，順紋抗壓強度可達到129 MPa(可達常用C30混凝土的3～4倍)。同時，工程竹材的加工制造技術(shù)也得到了迅速發(fā)展[24-25]，竹材工業(yè)快速發(fā)展與國家政策導(dǎo)向一致，國家已經(jīng)連續(xù)在多個“五年計劃”期間，將竹材的高效利用列入國家科技支撐計劃，如“高強度竹基纖維復(fù)合材料制造技術(shù)”被列入“十一五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃；“竹藤資源培育與高附加值加工利用技術(shù)研究”被列入“十二五”國家科技支撐計劃；“竹質(zhì)重組與集成材料連續(xù)化高效加工關(guān)鍵技術(shù)”被列入“十三五”國家重點研發(fā)計劃。工程竹材的開發(fā)，不僅使竹材得到大規(guī)模的工業(yè)利用，提高了竹材的使用價值，也在相當(dāng)程度上緩解了中國木材的供需矛盾。然而，普通竹構(gòu)件作為受彎構(gòu)件仍然存在截面剛度低、承載力與跨越能力不足等問題[26-29]，為了提高竹構(gòu)件的抗彎能力，研究人員提出了多種增強竹構(gòu)件的方法。筆者主要以配筋竹構(gòu)件、工字形竹構(gòu)件、FRP增強竹構(gòu)件、竹-混凝土組合構(gòu)件、竹-金屬組合構(gòu)件為例，進行相關(guān)構(gòu)件形式、制作工藝、力學(xué)性能方面的介紹分析。

1 配筋竹構(gòu)件

配筋竹構(gòu)件(圖1)主要用于竹材受彎構(gòu)件，為提高竹構(gòu)件抗彎能力，在竹構(gòu)件底部附近設(shè)置縱向筋材，筋材可以為FRP筋或鋼筋，類似于混凝土梁中配置縱向受力鋼筋[30-34]。制作配筋竹構(gòu)件工藝包括兩種：1)在生產(chǎn)工程竹材時即將筋材預(yù)先植入設(shè)計位置，如在重組竹的生產(chǎn)過程中，就將筋材與竹絲束組坯，在不改變原有重組竹制造工藝的基礎(chǔ)上，增加配置筋材的過程，在重組竹壓制成型后，筋材已經(jīng)被植入形成配筋竹構(gòu)件整體；2)在竹構(gòu)件底面縱向開槽，在槽中放入筋材，隨后在槽中注入環(huán)氧樹脂膠，筋材與竹構(gòu)件通過膠結(jié)形成配筋竹構(gòu)件整體。配筋竹構(gòu)件的破壞模式及承載特性是配筋竹構(gòu)件力學(xué)性能研究的主要關(guān)心內(nèi)容。

圖1 配筋竹構(gòu)件示意圖Fig. 1 Reinforced bamboo members with bars

對于配FRP筋竹構(gòu)件，魏洋等[30]最早在2009年進行了小尺寸試件的探索性研究，在2014年進行了足尺試件的試驗研究[31]。研究結(jié)果表明：影響FRP增強竹構(gòu)件性能的因素主要是FRP筋配筋率和FRP筋材類型等，目前土木工程領(lǐng)域常見的FRP主要為CFRP(碳纖維)、BFRP(玄武巖纖維)和GFRP(玻璃纖維)。圖2給出了預(yù)植入式的BFRP筋材和CFRP筋材增強竹梁部分四點彎曲試驗結(jié)果[30-31]：FRP筋材增強竹梁的破壞模式為梁底跨中竹材受拉斷裂，配FRP筋竹梁截面剛度提高明顯，正常使用極限狀態(tài)的承載力得到顯著提高；相比于配置BFRP筋的梁，配置CFRP筋的梁的力學(xué)性能更為優(yōu)異，配FRP筋竹梁的極限承載力提高約20%左右。

圖2 配FRP筋竹梁荷載-位移曲線[30-31]Fig. 2 The load-deflection curves of FRP bars reinforced bamboo beams

在配鋼筋竹構(gòu)件的研究中，影響配筋竹構(gòu)件性能的因素主要是配筋率、配筋位置等。魏洋等[32]對配鋼筋率不同的后嵌入式配鋼筋竹梁進行了四點彎曲試驗(圖3)，對比發(fā)現(xiàn)，配鋼筋竹梁的破壞模式為竹材受拉斷裂，配鋼筋竹梁的極限承載力可提高30%以上，歐洲木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的對應(yīng)撓度限值L/300(L為跨度)時的荷載值可提高35%以上，增大配筋率可提升抗彎剛度，破壞模式為跨中區(qū)域的截面受拉邊緣竹材拉斷，破壞歷程長，具有一定的延性，跨中截面應(yīng)變沿高度分布符合平截面假定。鐘永等[33]進行了類似的研究，成型了一體化的不同參數(shù)的配鋼筋竹梁，進行了抗彎試驗，結(jié)果表明，配鋼筋竹梁的極限承載力和抗彎剛度都有較大提高，最大增幅分別為58%和82%。

圖3 后開槽配鋼筋竹構(gòu)件荷載-撓度曲線[32]Fig. 3 The load-deflection curves of embedded steel bar reinforced bamboo members

除常規(guī)FRP筋增強竹構(gòu)件外，為進一步減小撓度，提高配FRP筋竹構(gòu)件力學(xué)性能，還可對FRP筋施加預(yù)應(yīng)力。圖4給出了預(yù)應(yīng)力GFRP筋增強竹梁力學(xué)性能試驗結(jié)果[34]，通過對比不同配筋率、不同預(yù)應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的施加能夠使得構(gòu)件截面剛度和承載力得到有效提高，剛度增強效果更加明顯，預(yù)應(yīng)力FRP筋增強竹梁的破壞模式、截面應(yīng)變分布規(guī)律與普通FRP增強竹構(gòu)件一致，預(yù)應(yīng)力的施加可有效減小受拉區(qū)的竹材實際拉應(yīng)變，使得構(gòu)件受壓區(qū)的竹材受壓性能得到更加充分的發(fā)揮。

圖4 預(yù)應(yīng)力FRP筋增強竹梁荷載-跨中位移曲線[34]Fig. 4 The load-deflection curves of prestressed FRP bars reinforced bamboo beams

除對常見矩形竹梁進行預(yù)應(yīng)力筋增強外，吳文清等[35]使用預(yù)應(yīng)力鋼筋增強了4根竹質(zhì)復(fù)合材料工字形梁，進行了四點抗彎試驗研究，發(fā)現(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力可有效減小構(gòu)件受彎變形，但對剛度和極限承載力的影響不大。

2 工字形、箱形竹木組合構(gòu)件

工字形竹木組合構(gòu)件(圖5)是以工程竹材為翼緣、木材為腹板，使用先膠結(jié)再銷釘緊固的方式將兩種材料連接形成整體，通過工字梁的形式使用木材實現(xiàn)梁高度增大；利用工字梁上下翼緣應(yīng)力大、中部腹板應(yīng)力小的特點，將強度高的竹材設(shè)置在翼緣位置實現(xiàn)材料強度的充分利用，將價格低的木材設(shè)置在腹板位置增加梁高，實現(xiàn)改善構(gòu)件力學(xué)性能的目的，可在有效提高構(gòu)件抗彎性能的同時降低工程造價。此外，在加載點及支座附近增設(shè)竹質(zhì)加勁肋可有效提高局部強度，在腹板上開設(shè)孔洞可進一步降低自身質(zhì)量。

圖5 竹木組合工字梁示意圖Fig. 5 Bamboo-wood composite I-beam

陳國等[36-42]先后對幾種不同參數(shù)的竹集成材為翼緣、歐松板為腹板的竹木組合工字梁[36-40]和竹木組合箱形梁[41-42]進行了抗彎試驗，研究加筋肋、補強板、腹板高度、腹板開孔方式、剪跨比等參數(shù)對組合梁力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：隨著孔洞直徑增加，構(gòu)件的承載力下降，剛度變化不大，組合梁的極限承載力隨著構(gòu)件加載的剪跨比的增大呈下降趨勢，竹加勁肋能顯著提高組合梁的極限承載力和極限位移，對箱形梁承載力提高幅度為14.7%～18.3%，對工字梁承載力提高幅度最大為15.7%，對箱形梁極限位移提高幅度為1.4%～7.5%，對工字梁極限位移提高幅度最大為10.13%，且腹板越高，增幅越大。此外，對于箱形梁，在腹板上開設(shè)直徑小于梁高30%的孔洞不會影響構(gòu)件的強度和剛度。對于工字梁，套環(huán)型補強板增強效果最好，能有效約束孔角裂縫開展。

3 FRP片材增強竹構(gòu)件

FRP片材增強竹構(gòu)件(圖6)是利用FRP片材優(yōu)越的抗拉性能，將FRP材料布置在竹構(gòu)件的底部受拉區(qū)，以提升竹構(gòu)件的抗拉性能。FRP片材的設(shè)置方法為使用環(huán)氧樹脂膠在竹構(gòu)件底部粘貼一層或多層FRP片材。

圖6 FRP片材增強竹構(gòu)件示意圖Fig. 6 FRP sheet reinforced bamboo members

FRP片材增強竹構(gòu)件與FRP筋增強竹構(gòu)件力學(xué)變化呈現(xiàn)規(guī)律大體相同。黃東升等[43]對CFRP片材加固竹梁進行了四點彎曲試驗，結(jié)果表明，碳纖維布加固梁的承載能力比未加固梁平均提高27%左右。周愛萍等[44]提出了考慮重組竹材料受壓力學(xué)非線性性能的CFRP增強重組竹梁的極限變形彈性理論修正計算方法。申士杰等[45]發(fā)現(xiàn)對GFRP片材施加30%預(yù)應(yīng)力時增強型竹木集成材的抗彎強度、彈性模量及中性軸偏移變化量最大。魏洋等[46-47]進行的CFRP片材和BFRP片材增強竹梁力學(xué)性能試驗的主要結(jié)果(圖7)，與FRP筋增強竹構(gòu)件規(guī)律基本一致。極限承載力和截面剛度隨FRP片材層數(shù)增多呈增大趨勢，F(xiàn)RP片材增強竹梁依舊表現(xiàn)為竹材受拉斷裂破壞，F(xiàn)RP片材的設(shè)置能夠有效提高正常使用階段的截面剛度以及極限階段的承載力，配置CFRP片材的梁比配置BFRP片材的梁的力學(xué)性能更為優(yōu)異。此外，肖巖等[48]發(fā)現(xiàn)配置CFRP片材還可改善竹梁的蠕變性能；呂清芳等[49]發(fā)現(xiàn)配置CFRP網(wǎng)格同樣可提高竹受彎構(gòu)件的承載能力。

圖7 FRP片材增強竹梁跨中荷載-位移曲線[46-47]Fig. 7 The load-deflection curves of FRP sheet reinforced bamboo beams

4 竹-混凝土組合構(gòu)件

竹-混凝土組合構(gòu)件(圖8)是將受拉性能較好的竹材置于構(gòu)件下部受拉區(qū)，將受壓性能較好的混凝土置于構(gòu)件上部受壓區(qū)，兩者通過剪力連接件連接成整體后可充分發(fā)揮材料各自的力學(xué)特性。剪力連接件有多種形式，常見的有凹槽、銷栓、開孔鋼板、螺釘、鋼網(wǎng)等。首先在竹材上開槽或開孔，隨后在孔槽中注入適量結(jié)構(gòu)膠并植入剪力連接件，結(jié)構(gòu)膠硬化后搭設(shè)模板澆筑上部混凝土，混凝土固結(jié)后形成竹-混凝土組合構(gòu)件整體。

圖8 竹-混凝土組合構(gòu)件示意圖Fig. 8 Bamboo-concrete composite members

魏洋等[50-53]先后對銷栓型、開孔鋼板型、凹槽型和凹槽+銷栓型(圖9)等不同連接件形式的竹-混凝土組合梁進行了四點彎曲試驗，結(jié)果顯示，與竹梁相比，各類竹-混凝土組合梁的極限承載力有效提高(最高可提高89%)，各階段截面剛度提高明顯，如銷栓型組合梁對應(yīng)跨中位移為跨度1/250 時的荷載提高了274%，界面應(yīng)變分布表現(xiàn)出部分組合的特征。吳文清等[54]提出了一種竹材-混凝土組合橋面板，通過推出試驗得出了螺釘剪力連接件的抗剪承載能力、抗剪剛度等，結(jié)果表明，加大螺釘直徑對于提高螺釘剪力連接件的承載力十分有效，螺釘沿剪切方向的布置間距對其單個螺釘剪力連接件的承載能力影響不大。肖巖等[55-57]對用于竹-混凝土組合梁的6種剪力連接件進行了推出試驗，試驗結(jié)果表明，竹-混凝土連接件表現(xiàn)出的力學(xué)行為與木-混凝土連接件不同，凹槽連接件、鋼網(wǎng)連接件、螺釘連接件和預(yù)應(yīng)力銷釘+凹槽連接件更適合用于竹-混凝土組合梁。單波等[58]對9根8 m長的全尺寸竹-混凝土組合梁進行了四點彎曲破壞試驗，連接件共計4種形式，研究發(fā)現(xiàn)，不同連接形式的竹-混凝土組合梁在短期荷載作用下均表現(xiàn)出良好的性能，凹槽連接的組合梁承載力較高。

圖9 凹槽銷栓型竹-混凝土組合梁[51]Fig. 9 Bamboo-concrete composite beams with notch-dowel connectors

此外，一種新型FRP-竹-混凝土組合構(gòu)件最早被魏洋等[59]提出(圖10)：綜合上述FRP筋增強竹構(gòu)件與竹-混凝土組合構(gòu)件兩種設(shè)計理念，將FRP、竹材及混凝土3種材料進行組合，F(xiàn)RP筋采用GFRP筋，竹材與混凝土之間的剪力連接件采用銷栓型連接件。組合構(gòu)件的抗變試驗結(jié)果表明，破壞模式為組合梁底部竹材纖維拉斷，相對于竹梁，極限荷載提高1.84～2.06倍，對應(yīng)撓度限值L/250(L為跨度)時的荷載值提高3.33～3.82倍，承載力和剛度得到大幅度的提高。

圖10 FRP-竹-混凝土組合構(gòu)件[59]Fig. 10 FRP-bamboo-concrete composite beams

5 竹-金屬組合構(gòu)件

竹-金屬組合構(gòu)件(圖11)是將竹材與金屬型材或板材通過膠結(jié)或銷釘連接形成整體，充分發(fā)揮兩種材料的力學(xué)特性，增強構(gòu)件的抗彎能力。

圖11 竹-金屬組合構(gòu)件示意圖Fig. 11 Bamboo-metal composite members

李玉順等[60-62]提出了一種鋼-竹組合構(gòu)件并對其力學(xué)性能進行了大量的試驗研究，選取冷彎薄壁型鋼與竹材人造板作為主要材料，可充分發(fā)揮鋼材輕質(zhì)、高強與竹材低碳、保溫等優(yōu)良性能。構(gòu)件由竹材人造板與多種截面形式的冷彎薄壁型鋼或壓型鋼板通過結(jié)構(gòu)黏合劑或結(jié)構(gòu)黏合劑加自攻螺釘組合連接而成。在對鋼-竹界面黏結(jié)性能[63-66]分析的基礎(chǔ)上，對箱形截面梁[67]和工字形截面梁[68]進行了一系列的抗彎試驗研究。箱形截面組合梁抗彎試驗結(jié)果表明，箱形截面組合梁具有較強的抗彎、抗剪性能，可充分發(fā)揮竹材與鋼材的力學(xué)特性。竹膠板厚度、腹板高度的增大對抗彎承載力的提高影響較大，型鋼厚度的增大對整體穩(wěn)定性、抗彎性能、延性的提高作用顯著。工字形截面組合梁抗彎試驗結(jié)果表明，工字形組合梁截面構(gòu)造合理，竹材與薄壁型鋼組合效應(yīng)突出，具有較高的承載力和剛度，并采用遺傳算法對工字梁截面參數(shù)取值給出了建議。盛葉等[69]提出了一種重組竹-鋁板組合梁，重組竹與鋁板通過涂抹環(huán)氧樹脂膠與打入自攻螺釘形成重組竹-鋁板組合梁，以鋁板的厚度和截面形式為參數(shù)對重組竹-鋁板組合梁進行了抗彎試驗，結(jié)果表明：重組竹-鋁板組合梁的破壞是由于層間發(fā)生剪切滑移，繼而受拉區(qū)竹纖維被拉斷，鋁板在螺釘位置由于應(yīng)力集中產(chǎn)生橫向通縫，最終失去承載能力；使用鋁板加固重組竹梁能有效提高其受彎承載力，增幅在2.0%～13.5%。在試驗基礎(chǔ)上，對試件的受彎承載能力進行理論分析，提出了重組竹-鋁板組合梁受彎承載力計算公式，理論計算值與試驗值吻合較好。

6 不同形式竹構(gòu)件的力學(xué)性能比較

筆者對增強竹構(gòu)件形式及其力學(xué)性能的研究成果進行逐一闡述和總結(jié)，具體力學(xué)性能對比見表1。可以發(fā)現(xiàn)，將竹材與金屬材料、FRP及混凝土材料等組合，能夠?qū)崿F(xiàn)增強竹構(gòu)件的綜合力學(xué)性能的有效提升，其多種材料協(xié)調(diào)工作，發(fā)揮各自優(yōu)勢，增強竹構(gòu)件的剛度、承載力等力學(xué)性能較普通竹構(gòu)件有較大提升。其中，抗彎剛度提升較為明顯，這對于正常使用極限主要受變形控制的受彎構(gòu)件意義重大。幾種增強竹構(gòu)件中，竹-混凝土組合構(gòu)件力學(xué)性能提升最大，可適用于荷載和變形較大的主體結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件。增強型竹材受彎構(gòu)件獲得更好的綜合力學(xué)性能，可更好的適用于土木工程領(lǐng)域各類受彎構(gòu)件，如梁式構(gòu)件、板式構(gòu)件、桁架構(gòu)件等，可在一些特定民用建筑、公共建筑、梁橋等工程中應(yīng)用推廣。

表1 增強竹構(gòu)件力學(xué)性能對比Table 1 Comparison of mechanical properties of reinforced bamboo members

7 建 議

竹質(zhì)受彎構(gòu)件增強技術(shù)下一階段的研究應(yīng)關(guān)注以下幾點：

1)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。雖然眾多研究者已經(jīng)努力提出了多種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式，但有效的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式仍然應(yīng)是未來研究關(guān)注的重點，研究開發(fā)更多性能更優(yōu)且經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，能夠更好地提升竹材作為受彎構(gòu)件對現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力。

2)優(yōu)化連接構(gòu)造。創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式常常借助于多種材料的有效組合，以發(fā)揮多種材料的各自優(yōu)勢，多種材料連接界面的可靠性無疑是創(chuàng)新增強結(jié)構(gòu)可靠工作的關(guān)鍵。如配筋竹構(gòu)件中筋材與竹材的界面連接，工字形、箱形竹木組合構(gòu)件中腹板與翼緣的連接，F(xiàn)RP片材增強竹構(gòu)件的FRP粘貼界面，竹-混凝土組合構(gòu)件的混凝土與竹材之間的連接件，竹-金屬組合構(gòu)件的界面連接等，經(jīng)濟、可靠、施工便捷的連接形式是研究開發(fā)的重點。

3)長期耐久性。自然環(huán)境下溫度、濕度等變化會對增強竹構(gòu)件力學(xué)性能產(chǎn)生影響，面向工程設(shè)計需考慮在環(huán)境影響下其長期變形與承載力退化，如何保障與定量評價增強竹構(gòu)件在使用環(huán)境下的耐久性能，是面向工程設(shè)計必須解決的難題，也是值得深入研究的方向。同時，工程竹材自身的材料性能也有待提高，如防霉變等耐久性研究，以及材料自身的輕量化研究等。

4)結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)前，增強竹結(jié)構(gòu)的研究多集中于單個構(gòu)件，對于整個結(jié)構(gòu)體系的研究較少，此類構(gòu)件的開發(fā)無疑為結(jié)構(gòu)體系的研究奠定了一定的基礎(chǔ)，但如何將結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝為結(jié)構(gòu)體系是值得深入思考的問題。針對結(jié)構(gòu)功能需求，探索多種適用的結(jié)構(gòu)體系，是增強竹結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的前提條件。其中，結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵節(jié)點的連接也應(yīng)是研發(fā)的重點。組合梁的輕量化、模塊化也是一個重要研究方向，可考慮使用輕質(zhì)材料利用裝配式生產(chǎn)工藝實現(xiàn)構(gòu)件性能改進。

5)標(biāo)準(zhǔn)化制造。為了達到規(guī)模化推廣應(yīng)用的目標(biāo)，針對各類增強竹構(gòu)件，需研究完善其加工制造工藝，制定增強竹構(gòu)件產(chǎn)品及工業(yè)化行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，確定和出臺相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化制造、設(shè)計與施工，為其推廣應(yīng)用打通最后的關(guān)口。