發布時間：2018-11-29所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：竹材是世界上為數不多的可再生資源，有上千年的使用歷史和諸多良好的建材特性，是建筑行業的理想材料。隨著經濟社會的發展、科學技術的進步、國家政策的推動，全生命周期均可實現與生態環境協調共存的竹結構是未來的發展方向之一。雖然從基本方法與手
摘要：竹材是世界上為數不多的可再生資源，有上千年的使用歷史和諸多良好的建材特性，是建筑行業的理想材料。隨著經濟社會的發展、科學技術的進步、國家政策的推動，全生命周期均可實現與生態環境協調共存的竹結構是未來的發展方向之一。雖然從基本方法與手段上，竹結構的研究可以從已經較為成熟的傳統結構研究中汲取經驗，但是，竹材是組成竹結構的基礎，這種特殊材料使得竹結構在構件、節點以及體系構成上與傳統結構存在顯著差別。結合已有成果，對現有竹結構中所涉及的竹材、竹構件、節點的力學性能作出分析;結合現代科技，對竹結構體系進行研究、總結。結果表明：目前已有的竹筋混凝土結構體系、改性竹材結構體系、現代純原竹結構體系已在建筑結構中廣泛應用，展現出竹材的性能優勢。本文提出一種噴涂復合材料–原竹骨架組合結構體系，其整體力學性能好，功能性和適應能力強，施工速度快，可代替傳統磚混結構，在低層房屋及村鎮建筑中應用，具有較高的推廣價值。
關鍵詞：現代竹結構,研究現狀,工程應用,原竹,改性竹
木竹材資源是世界上為數不多的可再生資源[1]。中國木材資源比較匱乏，但竹類資源豐富(約有39屬500多種)，竹種植面積和蓄積量均居世界首位[2]。因此，在目前木材供需矛盾仍很緊張的形勢下，研究竹結構有重要的意義。建筑業是一個資源利用率低，能源消耗大、環境污染嚴重的行業。與傳統建筑材料(如磚、混凝土等)相比，竹材不僅生長周期短、能在生長過程中改善自然環境，而且加工過程中能耗低，廢棄后可自然降解，堪稱天然綠色建材[3]。
同時，竹材較木材具有強度高、塑性好等優良的結構性能，被結構工程師們譽為“植物鋼筋”[4]。此外，竹材的強重比高，變形能力好，能夠吸收和耗散地震中的大量能量，是建筑行業的理想材料[5]。早在1867年，法國人蒙尼亞已經提出竹材在建筑結構中的應用方式[6]，我國也于20世紀50年代中期推出大量竹筋建筑[7]。
但是，由于早期的傳統竹結構存在防火、防蟲、保溫、隔聲、防腐性能差等缺點，且缺乏完整的理論體系，使得竹材在建筑工程中不僅往往與貧困、落后聯系在一起，而且無法得到廣泛應用。近年來，世界各國越來越注重生態環境的保護并提倡低碳生活。在全球節能減排的大環境下，黨中央、國務院出臺了一系列方針政策以推進新型城鎮化的建設[8-10]。隨著經濟社會的發展，科學技術的進步，國家政策的推動，人們對竹結構有了新的認識，竹結構的研究也有了更廣闊的平臺，克服其缺點成為可能。
在此背景下，全生命周期(從選材、施工到使用直至廢棄)均可實現與生態環境協調共存的竹結構成為了研究熱點。因此，合理發展竹結構符合國家“綠色化”發展需要，具有重要的理論意義與工程應用價值。雖然從基本方法與手段上，竹結構的研究可以從已經較為成熟的傳統結構研究中汲取經驗。但是，竹材是組成竹結構的基礎，這種特殊材料使得竹結構在構件、節點以及體系構成上與傳統結構存在顯著差別。
故在研究過程中，特別是理論分析，需以竹結構的受力機理為基本立足點。因此，本文通過對現代竹結構的研究與應用進行歸納與評述，重點闡述竹結構研究中存在的共性問題，在此基礎上指出現代竹結構的未來發展方向。
1竹材力學性能
1.1原竹材力學性能
原竹指保留了圓形竹材初始性狀的原始竹(主要包括圓竹與竹片)。1932年，竹內叔雄[11]就已經開始對原竹材進行研究。隨后，我國梁希[12]、余仲奎[13]、清華大學工程材料教研組[14]等均對不同竹材構造、物理性能、力學性能等開展了研究工作，特別是南京林產工業學院竹類研究室[15]，給出了竹材、木材和鋼材的強度比較如表1所示。
由表1可知，竹材的抗拉強度約為木材的2倍，抗壓強度比木材高約10%。此外，該文獻提出鋼材的抗拉強度為竹材的2.5倍~3.0倍，但由于鋼材比重較高，若按單位重量計算，竹材單位重量的抗拉強度約為鋼材的3倍~4倍。
本文認為，雖然僅用單位重量比較竹材與鋼材之間的力學性能欠妥當，畢竟二者在工程中的應用范圍有較大區別，但是不可否認將竹材作為建筑結構承重材料是具備可行性的。原竹材為三向異性材料，其物理、力學性能與自身微觀結構密切相關。
竹子主要由纖維厚壁細胞(即維管束)和纖維薄壁細胞(即基體)組成，由于它們承載力能力不同，導致毛竹順紋抗拉彈性模量、順紋抗拉強度和靜曲強度沿徑向變異較大[16-18]：最外層竹材順紋抗拉彈性模量與順紋抗拉強度是最內層的3–4倍和2–3倍;靜曲強度沿徑向由內向外也呈現出逐漸增大的趨勢。此外，立地條件、含水率、竹齡、部位均對竹材力學性能有所影響[18-20]：立地條件越好，含水率越高(絕干條件除外)，竹材的力學性能越差;6年生毛竹各項力學性能總體在最高水平;竹桿上部比下部的強度大。
國內外學者在該領域開展了大量研究工作[21-27]，其中不僅包括基本力學性能的測試，還有圓竹開洞處抗劈裂、圓竹環向抗拉等性能的探討，如圖1所示。
1.2改性竹材力學性能
隨著原竹材研究的不斷深入，近年來出現了各種結構工程竹材類產品，如膠合竹、重組竹(竹集成材)、竹木復合材料等新型竹材。膠合竹是一種具有特定纖維排列方式，且經過特殊工藝加工的天然竹纖維增強復合材料。肖巖等[41,42]通過對Glubam膠合竹材的力學性能進行試驗研究，得到其彈性模量、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等性能指標，證明該竹材能夠滿足建筑結構的力學性能要求。但作者發現，比較可知，Glubam膠合竹的力學性能指標整體數值偏小，這是由于原竹材存在明顯的自身構造優勢(中空、纖維分布完整等)。
2竹構件、節點力學性能
研究竹材構成的構件(如梁、柱、墻體及樓板等)是推廣應用竹結構的前提。
2.1梁力學性能
對于原竹簡支梁來說，其受彎破壞模式已基本達成共識，即認為原竹簡支梁會發生縱向劈裂破壞或局部彎折破壞[53,54]。雖然文獻[55]已提出當含水率較低時，原竹梁將發生縱向劈裂破壞，反之發生局部彎折破壞，但是不少試驗卻得到了相反的結論。實際上，作者認為原竹簡支梁的破壞模式與加載方式、竹桿局部橫向承載力以及順紋方向承載力密切相關。基于竹材力學性能的離散型，現有研究尚未給出兩種破壞模式的量化分界點,該分界點的確定將成為未來原竹梁研究的重點。此外，由于原竹梁的抗彎剛度較低，工程中可直接按照撓度進行設計。
Janssen[57]通過對原竹梁進行蠕變試驗還發現，與木材不同，原竹梁在長期荷載作用下不會產生變形的增加，且在卸載后梁可以恢復到受力前的直桿狀態，具有較好的整體性。近年來，基于改性竹材梁的研究不斷發展，唐卓等[58]對GluBam膠合竹I形擱柵梁的破壞形態、破壞機理、截面剛度和承載力等進行了研究，認為梁跨中截面應變符合平截面假定，該梁具有良好的整體工作性能。蘇毅[59]、陳復明[60]、周軍文[61]、張蘇俊[62]等均進行了不同類型重組竹梁受彎性能的研究，給出破壞模式并提出了相應的計算方法。
此外，吳文清[63]等對不同竹質復合I形梁進行了彎曲靜載試驗，研究其破壞機理、承載能力和變形性能，為此類結構設計提供了理論依據�？傮w而言，文獻[59]提出的竹集成材順紋單軸拉、壓應力–應變簡化模型及關系式可用于此類梁彎曲性能的分析。
3結論及展望
隨著經濟社會的發展，科學技術的進步，國家政策的推動，全生命周期均可實現與生態環境協調共存的竹結構成為了未來發展方向之一。
(1)目前原竹材及改性竹材的基本力學性能均是一維受力狀態的研究，且缺乏統一的材料本構;關于防火、防腐處理對竹材力學性能的影響尚不明確。
(2)對竹構件進行試驗是現階段主流的研究方法，應注意加強對理論分析和數值模擬的深入探討(如不同破壞模式產生的原因、影響構件承載力的量化因素等)，這是對竹結構進行研究需要解決的關鍵問題。
(3)對構件間節點連接性能的研究尚顯不足，已有連接形式局限性較大，且基本受力機理仍未明晰，還需提出更具普遍適用性的新型連接節點，并對其進行深入研究，這對形成結構體系具有重要意義。
(4)現階段，已有的竹筋混凝土結構體系、改性竹材結構體系、現代純原竹結構體系已在建筑結構中廣泛應用，展現出竹材的性能優勢。
(5)噴涂復合材料與原竹骨架黏結可靠，本文提出的噴涂復合材料–原竹骨架組合結構體系整體力學性能好，功能性和適應能力強，施工速度快，可代替傳統磚混結構，在鄉鎮、農村低層房屋建筑中應用，具有較高的推廣應用價值。
(6)今后應進一步完善現有竹結構體系，大力研發適用于不同建筑類型的竹結構新體系，在科學研究與實踐的基礎上形成設計規范并與國際接軌，最終使竹結構在現代建筑工程領域中大力推廣應用。
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