土木工程行业现阶段使用的建筑材料存在能耗过大、污染严重等问题,因此需建设绿色、低碳、节能的建筑,形成可持续发展的健康模式,这对于缓解我国能源紧缺,以及保护环境有着重要的意义,也将成为中国建筑业未来发展的方向。

　　 中国竹材资源丰富,与其他的材料相比,竹材具有生长快、产量高、强度高、弹性好、性能稳定等特点,已成为我国重要的速生和可再生森林资源之一 ^[1,2]。竹材在我国建筑中的应用也有着悠久的历史,在浙江河姆渡和四川金沙遗址中均出土过竹结构房屋 ^[3]。目前随着竹材人造板和重组竹加工技术的日趋成熟,为竹材从传统建筑材料向现代工程建筑材料的转变提供了技术支持,因此竹材越来越多地受到国内外的热捧。在中国香港,有许多竹子组成的结构,在装饰工程和外墙修补中也可见竹材资源;在日本,竹子越来越多地应用到建筑、室内装饰等方面;在哥斯达黎加,有较多由竹子构成的廉价房屋;亚洲部分国家的建筑屋面材料也由竹材和混凝土构成的 ^[4,5,6]。

　　 竹材经过一系列的加工形成竹材人造板 ^[7]。将竹材人造板与冷弯薄壁型钢通过结构粘结剂或结构粘结剂-自攻螺钉复合连接成新型高性能组合结构,这种组合结构克服了竹材刚度较低和薄壁型钢容易屈曲失稳的缺点,充分发挥竹材低碳、保温与钢材轻质、高强的优越性能,具有环保、轻质、节能等优点 ^[8,9,10]。

　　 冷弯薄壁型钢-重组竹组合梁和冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁均进行过受力性能的试验研究 ^[11,12],本文在这些试验研究的基础上,以竹板厚度、梁截面高度、薄壁型钢壁厚及翼缘宽度等为参数,进行9根冷弯薄壁型钢-重组竹组合梁与9根冷弯薄壁型钢-竹胶板组合梁在受弯状态下的力学性能试验,通过对试验结果的比较,对比分析两种组合梁破坏形态特征,整体性能差异,不同控制参数对组合梁受弯承载力的影响程度,比较重组竹与竹胶板两种材料对组合梁性能的影响。

　　 试验分别设计了9根冷弯薄壁型钢-重组竹组合工字形梁试件(简称钢-重组竹组合梁试件,试件编号为B-1～B-9)和9根冷弯薄壁型钢-竹胶板组合工字形梁试件(简称钢-竹胶板组合梁,试件编号为L-1～L-9),两种试件如图1,2所示。每根梁长度均为2.5m,计算跨度为2.3m,以竹板厚度、梁截面高度、薄壁型钢壁厚及翼缘宽度等尺寸为参数,试件具体参数如表1所示。两种组合梁制作工序一致,均以两根冷弯薄壁槽钢为骨架,腹板处粘结重组竹(竹胶板),组合件上、下两面分别用结构粘结剂粘结两块重组竹(竹胶板),形成工字形截面的组合梁。试件制作过程中,完成每一步粘结工序后,用重物加压固化2d,静置养护7d,制作流程如图3所示。

　　 组合梁中的重组竹和竹胶板均为大型专业竹材加工厂家提供,冷弯薄壁型钢均为同一厂家定制加工的镀锌钢板。根据《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》(GB/T 17657—2013)测定重组竹和竹胶板的静曲强度及弹性模量,根据《金属材料室内拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)测定镀锌钢板的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比及屈强比。具体试验参数如表2,3所示。

　　 由于竹胶板在加工过程中,受到胶粘剂的胶种、胶层厚度、涂胶均匀程度以及热固化压力等生产工艺的影响,各竹胶板之间的力学性能差异较大,不同厚度竹胶板的静曲强度和弹性模量起伏变化大。与之相比,重组竹力学性能较为稳定并明显优于竹胶板,厚度的改变对静曲强度和弹性模量的影响较小。

　　 试验通过千斤顶施加荷载于分配梁上,分配梁简支于组合梁上,使组合梁实现对称集中荷载加载模式(图4)。试验采用分级加载,试件B-1～B-5和试件L-1～L-5每级加载2kN,试件B-6～B-9和试件L-6～L-9每级加载5kN。

　　 为测得组合梁截面的应变变化,在跨中的型钢腹板处等间距粘贴若干应变片;上、下翼缘钢板和竹材表面也分别粘贴若干应变片;为确定组合梁在荷载作用下的变形情况,在试件的跨中、集中荷载作用点、支座与集中荷载作用点的中点处设置5个百分表。图5为加载装置示意图。

　　 钢-重组竹组合梁试件和钢-竹胶板组合梁试件在整个试验过程中均表现出较高的承载力及良好的延性,受力过程表现为弹性、弹塑性、破坏三个阶段。

　　 重组竹力学性能稳定,在加载过程中没有出现拉断或挤压破坏的现象。钢-重组竹组合梁试件破坏现象基本相似且破坏形态较为单一,当加载到组合梁挠度达到控制值时,开始出现局部脱胶声;随着荷载增大,下翼缘跨中处出现脱胶;接近极限荷载时,脱胶面扩大导致加载无法继续而破坏。以试件B-1和试件B-2为例,由于下翼缘跨中发生开裂脱胶无法继续加载而宣告破坏,如图6(a),(b)所示。试件B-8和试件B-9因截面较大,下翼缘重组竹存在不良接头,使得组合梁在加载过程中因接头脆性断裂而提前破坏(图6(c))。

　　 对于钢-竹胶板组合梁试件,由于各竹胶板之间力学性能差异较大,存在承载能力较低、局部抗压能力较弱等缺陷,使其破坏形态各不相同。在组合梁加载过程中,荷载集中作用、弯矩较大处竹板出现局部破坏,薄壁型钢出现屈曲等现象,最终使组合梁失去承载能力而宣告破坏。如试件L-5集中荷载作用处竹板撕裂掀起、薄壁型钢屈曲导致构件破坏(图6(d));试件L-8跨中上翼缘竹板挤压掀起致构件破坏(图6(e));试件L-9支座处竹板挤压致构件破坏(图6(f))。

　　 分析以上试验现象,钢-重组竹组合梁试件因使用了力学性能较为优良的重组竹,使组合梁的整体性能也随之提高,在加载过程中,破坏现象较为单一,均表现为钢-竹界面发生局部脱胶。与之相比,钢-竹胶板组合梁试件破坏现象则较为多样,主要表现有竹板挤压掀起破坏、竹板撕裂掀起、薄壁型钢屈曲等。

　　 表4给出了两种组合梁试件的试验结果,包括组合梁在正常使用极限状态下(组合梁跨中挠度达到控制值L/250时)和承载能力极限状态下(组合梁无法继续加载而破坏时)的正截面抗弯承载力。试件B-8和试件B-9因接头脆性断裂而提前破坏,其极限承载力没有得到充分的发挥,试验值比理论情况要明显偏低。

　　 钢-竹组合梁正截面抗弯承载力的理论计算公式如下:

　　 ${\rm M}={\rm M}{}_{\text{s}}+{\rm M}{}_{\text{b}}=\gamma {}_{\text{s}}\sigma {}_{\text{s}}W{}_{\text{s}}+\gamma {}_{\text{b}}\sigma {}_{\text{b}}W{}_{\text{b}}(1)$

　　 式中:M为组合梁正截面抗弯承载力;M_b为组合梁中竹材的抗弯承载力;M_s为组合梁中冷弯薄壁型钢的抗弯承载力;W_b为竹材的截面模量;W_s为冷弯薄壁型钢的截面模量;σ_b为破坏时竹材中的应力,取σ_b=ε_bE_b,ε_b为破坏时竹材翼缘处应变,E_b为竹材的弹性模量;σ_s为冷弯薄壁型钢的应力,在正常使用极限状态下取钢板屈服强度,在承载力使用极限状态下取钢板抗拉强度;γ_b为竹材截面强度折减系数,γ_b 取0.95;γ_s为冷弯薄壁型钢截面塑性发展系数,对于工字形截面γ_s 取1.05。

　　 钢-重组竹组合梁试件和钢-竹胶板组合梁试件分别采用了四种厚度规格的重组竹(15.0,18.0,20.0,25.0mm)和竹胶板(15.6,17.5,19.6,24.5mm)。不同厚度规格的重组竹和竹胶板其静曲强度、弹性模量等力学性能有所差异,从而导致组合梁承载能力的差异。试件B-2与试件B-1相比以及试件B-9与试件B-8相比,重组竹厚度分别增加了20%和25%,静曲强度和弹性模量基本一致,极限承载力分别提高了15.0%和15.3%;试件L-2与试件L-1相比以及试件L-9与试件L-8相比,竹胶板厚度分别增加了12%和25%,静曲强度和弹性模量略有提高或相差不大,极限承载力分别提高了6.7%和25.0%;试件L-5与试件L-4相比以及试件L-7与试件L-6相比,竹胶板厚度均是由17.5mm增加到19.6mm,而静曲强度降低了12.2%,弹性模量降低了19.2%,极限承载力分别降低了9.8%和12.1%。试件荷载-跨中挠度曲线如图7～9所示,各曲线发展趋势与上述结果相符合。

　　 增加梁截面高度,可以提高截面的惯性矩,使组合梁整体刚度相应增加,能有效提高其承载能力。从试验结果可看出,试件B-6与试件B-4相比以及试件B-7与试件B-5相比,梁截面高度分别增加了24.8%和24.2%,极限承载力则分别提高了45.8%和37.9%;试件L-6与试件L-4相比以及试件L-7与试件L-5相比,梁截面高度分别增加了27.4%和26.7%,极限承载力则提高了80.4%和75.6%。试件B-4～B-7,L-4～L-7荷载-跨中挠度曲线如图10所示,各曲线发展趋势与上述结果相符合。

　　 试件B-4与试件B-2相比以及试件B-5与试件B-3相比,冷弯薄壁型钢壁厚和翼缘宽度均增加了33.3%,极限承载力分别提高了4.3%和16%;试件L-4与试件L-2相比以及试件L-5与试件L-3相比,冷弯薄壁型钢壁厚增加了25.8%,翼缘宽度增加了33.3%,极限承载力分别提高了28.1%和37.0%。试件B-2～B-5,L-2～L-5荷载-跨中挠度曲线如图11～12所示,各曲线发展趋势与上述结果相符合。

　　 根据试验结果可知,钢-重组竹组合梁试件和钢-竹胶板组合梁试件荷载-跨中截面应变变化曲线相似,以试件B-1跨中截面平均应变沿截面高度分布图为例(图13),纵坐标为梁腹板高度,原点处为组合梁下翼缘表面,155mm处为组合梁上翼缘表面。由图13可得,在各级荷载作用下,试验梁跨中截面的应变分布沿截面高度基本呈线性变化,在钢-竹界面处应变无明显突变。截面中性轴处于梁高中心位置,杆件发生弯曲变形后仍保持平面,故组合梁跨中截面变形符合平截面假定。

　　 由3.2节的分析结果可得,随着试件截面高度的增加其承载能力显著提高;冷弯薄壁型钢壁厚及翼缘宽度的增加能有效提高其承载能力;随着竹板厚度增加,组合梁的高度相应增大,整体刚度也有所提高,承载能力对应提升,但由于各竹胶板之间力学性能差异较大,部分厚度较大的竹胶板静曲强度和弹性模量反而较小,截面整体刚度下降,致使试件承载能力不升反降。

　　 将试件B-1～B-9与试件L-1～L-9按编号对应相比较,在各参数都基本相同的情况下,钢-重组竹组合梁试件的正常使用承载能力和极限承载能力高于钢-竹胶板组合梁试件的,平均提高约35%(图14)。当其他参数都不变,某个参数增加量相同时,钢-竹胶板组合梁试件的承载能力提高幅度明显大于钢-重组竹组合梁试件。钢-竹胶板组合梁试件在一个或多个参数都略高于钢-重组竹组合梁试件的情况下,其承载能力却略低一些。例如试件L-1与试件B-1相比,各参数基本相同,但试件L-1的极限承载能力仅为试件B-1的0.75;试件L-5与试件B-4相比,除试件L-5竹板厚度增加了8.9%外,其他各参数都基本相同,而试件L-5的极限承载能力仅为试件B-4的0.771。试件L-5与试件B-2相比,试件L-5的竹板厚度增加了8.9%,钢板厚度增加了30%,翼缘宽度增加了33%,但试件L-5的极限承载能力仅为试件B-2的0.805,如图15～17所示。

　　 钢-重组竹组合梁试件和钢-竹胶板组合梁试件的荷载-跨中挠度曲线在总体趋势上较为相似(图18,19),均可分为弹性变形阶段和塑性变形阶段两个部分,试件具有良好的延性,属于延性破坏。在加载的初期,荷载不超过1/3～1/2的极限荷载时,钢-竹共同工作,变形随荷载呈线性发展;随着荷载的不断加大,曲线斜率持续变小,挠度增加明显加快。

　　 试件荷载-跨中挠度曲线主要集中分布在三个区域,清晰地反映出组合梁的承载力受竹板厚度、冷弯薄壁型钢壁厚及翼缘宽度、梁截面高度的影响,并且随着这三个因素的增加,组合梁截面刚度增大,在相同荷载作用下,梁的挠度减小。

　　 对比图18,19这两张图,并根据试验数据可算得,在各参数都基本相同的情况下,钢-重组竹组合梁试件各荷载-跨中挠度曲线的斜率为1.66～5.71kN/mm,均高于钢-竹胶板各组合梁试件的斜率1.20～4.67kN/mm,平均提高约33%。该曲线斜率与组合梁刚度成正比,由此可以得出,组合梁整体刚度随着截面尺寸的增大而不断提高,且在相同截面尺寸下,钢-重组竹组合梁试件的刚度普遍高于钢-竹胶板组合梁试件的刚度,该结论也与3.4节比较结果相符合。同时由于各竹胶板之间性能差异较大,部分厚度较大的竹胶板其静曲强度和弹性模量反而降低,因此部分试件出现承载能力随竹板厚度增加而降低的情况,从图18,19中可以看出钢-重组竹组合梁试件各挠度曲线间分离明显,而钢-竹胶板组合梁试件部分挠度曲线间存在交叉重合现象。

　　 通过对18根钢-竹组合梁试件进行静力加载试验和结果对比分析,可得出如下结论:

　　 (1)钢-重组竹和钢-竹胶板两种组合工字形梁中冷弯薄壁型钢与竹板共同参与工作,整体工作性能优良,组合效应突出,具有良好的延性及较高的承载力。

　　 (2)竹板厚度、冷弯薄壁型钢壁厚及翼缘宽度、梁截面高度的增加能有效提高两种组合梁的受弯承载能力,其中梁截面高度的影响尤为突出。

　　 (3)在各参数都基本相同的情况下,钢-重组竹组合梁在正常使用极限状态和承载能力极限状态下的承载力均高于钢-竹胶板组合梁的承载力,平均提高约35%。

　　 (4)通过对两种组合梁试件的试验结果对比可知,组合梁的抗弯承载力与材料性能密切相关,使用力学性能更好、整体性能更突出的竹材,可有效提高组合梁的承载力。

　　 (5)两组各个组合梁荷载-跨中截面应变变化曲线相似,组合梁跨中截面的应变分布沿截面高度基本呈线性变化,在钢-竹界面处应变无明显突变,截面变形符合平截面假定。

　　 (6)组合梁荷载-跨中挠度曲线表明,两种组合梁的变形均可分为弹性阶段和塑性阶段,试件具有良好的延性,破坏为延性破坏,且曲线主要集中分布在三个区域。