现代竹结构的研究与工程应用—第27届全国结构工

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　田黎敏，靳贝贝，*郝际平

　　(西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055)

　　摘要：竹材是世界上为数不多的可再生资源，有上千年的使用历史和诸多良好的建材特性，是建筑行业的理想材料。随着经济社会的发展、科学技术的进步、国家政策的推动，全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构是未来的发展方向之一。虽然从基本方法与手段上，竹结构的研究可以从已经较为成熟的传统结构研究中汲取经验，但是，竹材是组成竹结构的基础，这种特殊材料使得竹结构在构件、节点以及体系构成上与传统结构存在显著差别。结合已有成果，对现有竹结构中所涉及的竹材、竹构件、节点的力学性能作出分析;结合现代科技，对竹结构体系进行研究、总结。结果表明：目前已有的竹筋混凝土结构体系、改性竹材结构体系、现代纯原竹结构体系已在建筑结构中广泛应用，展现出竹材的性能优势。本文提出一种喷涂复合材料–原竹骨架组合结构体系，其整体力学性能好，功能性和适应能力强，施工速度快，可代替传统砖混结构，在低层房屋及村镇建筑中应用，具有较高的推广价值。

　　关键词：现代竹结构;研究现状;工程应用;原竹;改性竹

　　中图分类号：TU366.1文献标志码：A

　　Abstract:Bambooisoneoftherenewableresourcesintheworld.Ithasbeenusedforthousandsofyearsanditisanidealmaterialforthebuildingindustrybecauseofgoodmechanicalproperties.Withtheimprovementofsocialeconomy,thedevelopmentofscienceandtechnology,andthepromotionofnationalpolicy,bamboostructureswillbeoneofthedevelopmentdirectionsinthefuture.Thisismainlyduetothefactthatthewholelifecycleofbamboostructurescanachieveco-existencewiththeecologicalenvironment.Thebasicmethodsofresearchofbamboostructurescanlearnfromthemorematuretraditionalstructuralstudies.However,bambooisthefoundationofbamboostructures.Thisspecialmaterialmakesbamboostructuresdifferentfromthetraditionalstructuresintermsofmembers,jointsandsystems.Thispapergivesanoverallreviewonmechanicalpropertiesofbamboo,bamboomembersandjoints,aswellascommonbamboostructuralsystemsbasedonpaperspublishedintheliteratureandtheauthors’researchwork.Theresultsshowthatthebambooreinforcedconcretestructuralsystem,themodifiedbamboostructuralsystem,andthemodernoriginalbamboostructuralsystemhavebeenwidelyusedinbuildingstructures.Thestructuralsystemofsprayedcompositematerial–bamboohasgoodmechanicalbehavior,functionality,adaptability,andefficiency.Itcanreplacetraditionalbrickconcretestructuresandisappliedtotownshipandrurallow-risebuildings.Thestructuralsystemofsprayedcompositematerial–bamboohashighapplicationvalue.

　　Keywords:modernbamboostructure;state-of-the-art;engineeringapplication;bamboo;modifiedbamboo

　　木竹材资源是世界上为数不多的可再生资源[1]。中国木材资源比较匮乏，但竹类资源丰富(约有39属500多种)，竹种植面积和蓄积量均居世界首位[2]。因此，在目前木材供需矛盾仍很紧张的形势下，研究竹结构有重要的意义。建筑业是一个资源利用率低，能源消耗大、环境污染严重的行业。与传统建筑材料(如砖、混凝土等)相比，竹材不仅生长周期短、能在生长过程中改善自然环境，而且加工过程中能耗低，废弃后可自然降解，堪称天然绿色建材[3]。同时，竹材较木材具有强度高、塑性好等优良的结构性能，被结构工程师们誉为“植物钢筋”[4]。此外，竹材的强重比高，变形能力好，能够吸收和耗散地震中的大量能量，是建筑行业的理想材料[5]。

　　早在1867年，法国人蒙尼亚已经提出竹材在建筑结构中的应用方式[6]，我国也于20世纪50年代中期推出大量竹筋建筑[7]。但是，由于早期的传统竹结构存在防火、防虫、保温、隔声、防腐性能差等缺点，且缺乏完整的理论体系，使得竹材在建筑工程中不仅往往与贫困、落后联系在一起，而且无法得到广泛应用。

　　1竹材力学性能

　　1.1原竹材力学性能

　　原竹指保留了圆形竹材初始性状的原始竹(主要包括圆竹与竹片)。1932年，竹内叔雄[11]就已经开始对原竹材进行研究。随后，我国梁希[12]、余仲奎[13]、清华大学工程材料教研组[14]等均对不同竹材构造、物理性能、力学性能等开展了研究工作，特别是南京林产工业学院竹类研究室[15]，给出了竹材、木材和钢材的强度比较如表1所示。

　　2竹构件、节点力学性能

　　研究竹材构成的构件(如梁、柱、墙体及楼板等)是推广应用竹结构的前提。

　　2.1梁力学性能

　　对于原竹简支梁来说，其受弯破坏模式已基本达成共识，即认为原竹简支梁会发生纵向劈裂破坏或局部弯折破坏[53,54]。虽然文献[55]已提出当含水率较低时，原竹梁将发生纵向劈裂破坏，反之发生局部弯折破坏，但是不少试验却得到了相反的结论，如图4所示[56]。实际上，作者认为原竹简支梁的破坏模式与加载方式、竹杆局部横向承载力以及顺纹方向承载力密切相关。基于竹材力学性能的离散型，现有研究尚未给出两种破坏模式的量化分界点,该分界点的确定将成为未来原竹梁研究的重点。此外，由于原竹梁的抗弯刚度较低，工程中可直接按照挠度进行设计。Janssen[57]通过对原竹梁进行蠕变试验还发现，与木材不同，原竹梁在长期荷载作用下不会产生变形的增加，且在卸载后梁可以恢复到受力前的直杆状态，具有较好的整体性。

　　3竹材在工程中的应用

　　3.1竹筋混凝土结构体系

　　由于竹材具有抗拉强度高、易加工和价格低廉等优点，以竹筋代替钢筋用于传统混凝土构件中，既可以充分利用材料资源，又能达到节约钢材的目的。竹筋混凝土最早由法国人蒙尼亚于1867年发明，后于20世纪40年代在日本得到推广[98,99]。20世纪50年代中期，由于当时我国经济困难，钢材短缺，此类结构也被大量应用于民用建筑中(图16)，仅广州就曾有100余栋竹筋楼[7]。随后，经济和社会的发展使得竹筋混凝土结构逐渐退出历史舞台，被钢筋混凝土结构所代替。

　　4结论及展望

　　随着经济社会的发展，科学技术的进步，国家政策的推动，全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹结构成为了未来发展方向之一。

　　(1)目前原竹材及改性竹材的基本力学性能均是一维受力状态的研究，且缺乏统一的材料本构;关于防火、防腐处理对竹材力学性能的影响尚不明确。(2)对竹构件进行试验是现阶段主流的研究方法，应注意加强对理论分析和数值模拟的深入探讨(如不同破坏模式产生的原因、影响构件承载力的量化因素等)，这是对竹结构进行研究需要解决的关键问题。(3)对构件间节点连接性能的研究尚显不足，已有连接形式局限性较大，且基本受力机理仍未明晰，还需提出更具普遍适用性的新型连接节点，并对其进行深入研究，这对形成结构体系具有重要意义。(4)现阶段，已有的竹筋混凝土结构体系、改性竹材结构体系、现代纯原竹结构体系已在建筑结构中广泛应用，展现出竹材的性能优势。

　　参考文献：

　　[1]郝际平,寇跃峰,田黎敏,等.基于竹材含水率的喷涂多功能环保材料-原竹黏结界面抗滑移性能试验研究[J].建筑结构学报,2018,39(7):154-161.HaoJiping,KouYuefeng,TianLimin,etal.Experimentalstudyonanti-slipbehaviorofmulti-functionalenvironmentalmaterial-bamboointerfacebasedonMoisturecontentofbamboo[J].JournalofBuildingStructures,2018,39(7):154-161.(inChinese)

　　[2]徐斌,任海清,江泽慧,等.竹类资源标准体系构建[J].竹子研究汇刊,2010,29(2):6-10.XuBin,RenHaiqing,JiangZehui,etal.Standardsystemconstructionofbambooresources[J].JournalofBambooResearch,2010,29(2):6-10.(inChinese)

　　[3]VanderLugtP,VandenDobbelsteenAAJF,JanssenJJA.Anenvironmental,economicandpracticalassessmentofbambooasabuildingmaterialforsupportingstructures[J].ConstructionandBuildingMaterials,2006,20:648-656.

　　[4]刘可为,奥利弗·弗里斯.全球竹建筑概述—趋势和挑战[J].世界建筑,2013(12):27-34.LiuKewei,FrithO.Anoverviewofglobalbambooarchitecture:trendsandchallenges[J].WorldArchitecture,2013(12):27-34.(inChinese)