現代竹結構抗震性能研究進展

李 晨，張 軍

（揚州工業職業技術學院建筑工程學院，江蘇 揚州 225100）

我國處于環太平洋地震帶與歐亞地震帶之中，受到太平洋、印度洋和菲律賓海等3 大板塊的不斷擠壓，地震活動頻度較高，導致我國西南、西北地區地震頻發。20世紀以來，我國出現過多次大地震，如唐山地震、汶川地震及雅安地震等，造成了慘重的損害，建筑結構如何更好地抗震防震也是工程界一直致力研究的重點問題。

竹材是一種綠色節能環保建筑材料，吸碳固碳能力出色，廢棄后也能較短時間內自然降解，大力推廣應用竹結構建筑，符合綠色建筑發展理念，契合國家碳達峰、碳中和重要戰略發展目標。竹材與木材相似，具有自重輕、塑性與韌性好的優點，在地震過程中，相比混凝土結構，竹結構產生的地震效應較小。目前，竹結構抗震設計規范還暫未編制出版，結構設計基本以木結構抗震設計規范作為參考，存在一定的偏差性。

1 竹結構構件抗震性能研究

竹質剪力墻的抗震性能是眾多學者主要開展研究的重點，熊澤龍[1]制作了三面帶鋼板連接件的重組竹剪力墻，三面墻體的釘間距不同，對墻體開展了低周往復試驗研究，考察不同釘間距對剪力墻的抗震性能的影響，試驗結果表明，剪力墻通過設置鋼板連接件連接后整體強度和剛度均較高，并且其中釘間距100 mm 的墻體抗側性能最好。根據理論分析推導了竹剪力墻抗側剛度的計算公式，并提出了輕質竹結構體系的優化結構與集成方式。

在研究過程中，研究者們均發現竹結構構件剛度較低，在受力過程中容易發生明顯變形，竹質剪力墻體設計主要控制因素是撓度，為能夠更好地充分利用竹材的強度，部分學者設計了竹-木組合墻體、鋼-竹組合墻體，并對墻體開展了抗震性能研究。李智等[2]為了推廣膠合竹材在輕型木結構等建筑結構中的運用，根據美國ASTM E2126-09 墻體試驗標準，設計了2 種不同連接釘型的輕型竹-木組合剪力墻，采用10 mm 厚竹膠合板作為覆面板，分別采用相同長度的圓射釘和鋼排釘連接。對墻體開展了滯回加載試驗，研究組合剪力墻的抗震性能。試驗結果表明，2 種相同長度但不同延性的國產射釘連接下，采用鋼排釘承載力高于圓射釘。荷載作用下墻體具有良好的延性，可以滿足目前國內外規范中針對輕型木結構墻體提出的抗側力設計要求。李玉順等[3]提出了一種新型的鋼-竹輕質組合墻體，墻體以壓型鋼板為骨架芯板，竹簾膠合板作為覆面板粘貼在兩側鋼板上，并對墻體開展抗震性能研究。結果表明，影響組合墻體承載力和抗震性能的主要因素是壓型鋼板的厚度和波高，而竹簾膠合板厚度對墻體的水平抗剪強度和剛度的影響不大；同時根據彈性階段組合墻體的應力-應變關系，提出了組合墻體的力學簡化模型及承載力計算方法。許杰[4]設計了一種以竹材膠合板為主要結構材料、冷彎薄壁C 型鋼為龍骨的節能型鋼-竹組合墻體，并對墻體開展了抗震試驗。試驗結果表明，組合墻體滯回曲線在加載前期基本呈現梭形，后期發展為反S 形，其中墻頂位移較大，最終由于墻體邊緣處型鋼龍骨的屈服而發生彎曲破壞，受力過程中組合墻體的延性性能較好。試驗中發現型鋼壁厚及截面尺寸是提高墻體承載力的關鍵影響因素，而竹材覆面板的厚度變化對承載力無明顯影響。江忠畫等[5]在冷彎薄壁型鋼墻體表面覆蓋了木碳纖維板，并對兩榀墻體足尺試件進行了低周往復試驗，研究竹木碳纖維板對冷彎薄壁型鋼墻體抗震性能的影響。試驗結果表明，在往復荷載作用下最終墻面板發生承壓破壞，連接螺釘發生剪切破壞，同時立柱、剛性斜撐發生彎扭屈曲，下導軌、剛性橫撐局部屈曲。墻體受力過程中竹木碳纖維板起到明顯的支撐作用，與無覆板墻體相比，覆板后墻體的承載能力、抗側剛度和耗能能力明顯提升。高宛成等[6]設計制作了7 片以竹膠合板作為覆面板的鋼-竹組合墻體試件，對墻體抗震性能進行了研究。試驗發現在地震荷載作用下，組合墻體滯回性能比不覆面板時優越，但仍存在較大的粘結滑移和捏縮現象，單面覆板的組合墻體耗能系數優于不覆面墻體。通過上述研究發現，采用竹板作為覆面板、型鋼作為骨架的鋼-竹組合墻體能夠有效地提升墻體抗震性能，組合方式切實可行，但影響組合墻體承載力和抗震性能的主要因素是型鋼的尺寸，而竹板厚度對墻體的抗震性能影響不大。

田黎敏等[7-8]設計了2 種組合墻體，一種為噴涂保溫材料-原竹骨架組合墻體，另一種為噴涂輕質復合砂漿-密布原竹組合墻體，并分別開展了抗震試驗研究。研究表明，噴涂保溫材料-原竹骨架組合墻體受剪承載力、抗側剛度及抗震性能均優于原竹骨架墻體；噴涂輕質復合砂漿-密布原竹組合墻體的主要破壞模式為抗拔件被拉出，墻體底部發生破壞，墻體的延性和耗能能力較好，且具有較高的抗剪承載力和初始抗側剛度。與壓型鋼板-竹膠板組合墻體相比，噴涂輕質復合砂漿-密布原竹組合墻體具有更好的抗震性能和耗能能力；與噴涂保溫材料-原竹骨架組合墻體相比，噴涂輕質復合砂漿-密布原竹組合墻體經濟性好。

除了竹質剪力墻構件抗震性能研究以外，部分學者還開展了鋼-竹組合柱的抗震性能研究。蔣天元[9]提出了一種新型的鋼-竹組合柱，以2 塊薄壁C 型鋼為基本骨架進行拼接，在型鋼腹板及翼緣處用結構膠黏劑黏結4 塊竹簾膠合板，形成截面形式為箱型的鋼-竹組合柱，并對5 根不同尺寸的組合柱開展了抗震試驗研究。試驗結果表明，組合柱長細比和鋼板厚度是影響柱極限承載力和剛度的主要因素，而影響柱延性性能的主要因素是軸壓比。趙衛鋒[10]以膠合竹板為主材，研發了一種新型的橫向拉桿約束薄壁型鋼管/多層竹膠板組合空芯柱（SBCCB），對9 根試件進行了低周反復試驗。結果表明，SBCCB 破壞形態主要為柱腳膠合面的開裂破壞和膠合竹板材料橫向斷裂破壞，截面組合方式對其破壞模式有顯著影響，增大組合柱截面尺寸和長細比能改善其抗震性能，組合柱有較好的側向彈性變形能力和耗能性能，而彈塑性變形和延性能力不具優勢。

2 竹結構節點抗震性能研究

竹結構節點連接方式主要有榫卯連接、齒板連接、釘接和螺栓連接等，通過研究發現榫卯連接、齒板連接、釘接的節點承載力較低。目前，現代木結構建筑最常用的是螺栓連接。馮立[11]選取了一個4 榀梁柱螺栓節點框架，對節點開展了低周往復試驗，研究發現節點螺栓群在受力過程中受力不均勻，各螺栓彎曲變形大小不同，受力過程中作為基材的膠合竹發生撕裂，最終導致節點發生破壞。馮巖[12]針對竹框架結構中存在的結構柱蠕變過大從而需要增大設計尺寸的問題，設計了一種新型鋼柱-工程竹梁的組合框架體系，梁柱連接節點區域由上下2 塊耗能板和一個鉸組成。對耗能節點開展了低周往復荷載試驗，發現新型耗能節點的耗能性能良好，受力過程中竹梁、鋼柱與耗能節點處的連接保持良好，耗能板均率先進入非線性并且出現屈曲，并提出了一個由簡化的對稱三折線骨架曲線和簡化六邊形滯回規則構成的恢復力模型。魏孝勝[13]提出了一種連接鋼柱和竹梁的新型耗能節點，并對足尺耗能節點進行低周反復荷載試驗。試驗結果表明，節點破壞位置均為耗能板處，節點的彈性剛度與耗能板的跨厚比無關，節點峰值彎矩隨著耗能板跨厚比的減小而增大，耗能板跨厚比大于10 的節點延性和耗能性能優于跨厚比小于10 的節點。蔣天元[9]對工字型鋼-竹組合梁和箱型鋼-竹組合柱的連接節點開展抗震性能研究。試驗結果表明，連接節點處螺栓強度等級和個數對組合梁柱節點的極限承載力和節點核心區剪切變形的影響不大，通過在節點區域設置加勁肋能夠有效地提升節點的轉角剛度和抗震性能。周軍文等[14]提出了一種新型的竹木框架裝配節點，并設計了3 個不同尺寸的足尺節點試件開展試驗研究。試驗結果發現節點的破壞模式為梁翼緣鋼板受壓屈曲，節點柱套板厚度對節點的耗能能力和承載力有明顯的影響。

3 竹結構整體抗震性能研究

2008年汶川地震后，為了加快震后重建工作，由南京林業大學張齊生院士和東南大學呂志濤院士共同主持了“災后重建新型抗震竹質工程材料安居示范房的設計與建造研究”項目，按照抗震設防烈度8 度設計并建設了竹質工程材料安居示范房，如圖1所示。呂清芳等[15]對新型抗震竹質工程材料安居示范房設計方法及建設關鍵技術進行了介紹，安居示范房采用竹簾膠合板制作樓屋面板及墻板構件、竹材層積材制作梁、竹材重組材制作柱，采用梁-柱+擱柵-墻骨柱構成的多約束、多傳力路徑的受力體系，抗震性能優異。同樣為了支持四川地震災區震后重建工作，肖巖等[16]在湖南大學設計并建設了一幢輕型竹結構別墅，如圖2所示。輕型竹結構住宅采用框架結構，抗震設計參照了《Uniform Building Code》中輕型木結構住宅設計方法。通過剪力墻和橫隔層形成的側向力抵抗系統來抵抗風或地震產生的側向力。

圖1 竹結構安居示范房

圖2 湖南大學竹結構別墅

2012年，Luna[17]等對一個2 層膠合竹框架結構進行了橫向荷載試驗，其中3 個節點處設置K 型支撐，試驗發現該框架結構具有良好的延性。章叢俊等[18]對2層3×4 跨的純框架結構竹結構縮尺模型開展了振動臺試驗，試驗采用實際地震記錄El Centro 波、Taft 波和模擬地震波SHW 波作為振動臺的地震波輸入。試驗發現竹結構的主體框架具有較好的耗能能力和優異的抗震性能，但結構在地震作用下的側移較大，建議結構設計中可以通過增強構件的連接剛度、增大柱截面和增設支撐等措施來減小結構的側移。翟佳磊等[19]設計并制作了2 榀2 層單跨鋼-竹組合框架及2 個鋼-竹組合框架節點模型，通過試驗研究發現，鋼-竹組合框架結構的破壞是由于框架節點域受到較大剪切變形，使得框架柱的竹膠板和槽鋼產生脫膠，導致框架柱失去承載力而發生破壞；設置加勁肋后框架結構節點域剛度、承載力、耗能能力得到大幅提升。陳國等[20]設計了一個輕型竹結構房屋的縮尺模型，并開展振動臺試驗和推覆試驗。試驗結果表明，在0.3 g 以下的地震中，結構處于彈性狀態，施加多次重復地震荷載，結構會發生輕微破壞但不會發生倒塌。試驗中結構在0.1、0.3、0.4、0.5 g的地震中最大層間位移角小于規范中的限值。楊銳等[21]對一幢竹框架剪力墻結構建筑進行了抗震性能模擬分析，通過分析得出，多遇地震水準下，結構層間位移角均小于1/1 000，能夠較好地滿足小震情況下整體結構處于彈性范圍的要求；在罕遇地震水準中，結構的最大層間位移角均大于1/100，說明結構整體抗震性能良好。郭繼清[22]通過模擬分析研究了設置支撐的竹框架結構的抗震性能，并進行了支撐布置的優化分析。結果表明，通過布置支撐能夠有效地減小竹結構在地震作用下的側移。Li 等[23]對竹材多層抗震框架結構開展了數值模擬分析，結果表明，對于重組竹柱典型的2 種破壞模式為橫向變形過大不能繼續承載破壞和頂部纖維撕裂破壞；重組竹柱在卸載后可恢復80%以上的變形，具有優良的彈性回復；重組竹柱能否承受梁的載荷實際上是由剛度控制的，而不是強度。Lv 等[24]對一個帶摩擦阻尼器的CLB 墻體開展了試驗研究和分析，結果表明，CLB 墻體微小的變形表現出理想的自恢復能力，累積能量耗散曲線表明，CLB 墻體的能量耗散能力可以通過CFD 大大提高，根據CLB 材料和后張鋼筋的應變、應力和損傷程度，提出了CLB 墻體在側向力作用下的極限狀態。

4 結束語

根據本文分析介紹的國內外現代竹結構抗震性能的研究與應用現狀發現，現階段現代竹結構抗震性能研究已有一定成果，但是還需要在以下幾方面進一步深入探討研究：①結構體系。目前整體結構抗震研究基本以框架結構為主，并且層數基本以1～2 層為主，對于大力推廣應用竹結構建筑不具有代表性。②連接形式與性能。通過現有研究基礎可以發現單一的純竹結構的建造高度會受到竹材材料特性的限制，竹-鋼、竹-混凝土組合結構和混合結構是重要的發展方向，竹材和鋼材、混凝土的連接形式與協同工作機制是研究關鍵。③設計理論與規范體系完善。“雙碳”背景下，大力發展現代竹結構是必然趨勢，而目前竹結構抗震設計規范還處于空白，必須加快完善現代竹結構設計理論，為工程設計和施工提供依據。