工程竹在建筑结构中的应用研究进展
冷予冰 许清风 陈玲珠. 工程竹在建筑结构中的应用研究进展[J]. 建筑结构，2018，48（10）：89-97.
Leng Yubing Xu Qingfeng Chen Lingzhu. Research progress of application of engineered bamboo in building structures[J]. Building Structure，2018,48（10）：89-97.
0 引言
发展绿色环保的建筑材料是建筑业发展的必然趋势。与钢材、混凝土、砌体等材料相比, 竹材和木材都是低碳可再生的生物质材料, 具有可再生、易降解、强重比高、轻质抗震等优点。竹材的生长周期短, 4~6年即可成材, 且在生长过程中能存储二氧化碳以改善环境, 从生长、加工、建造、使用、维护和废弃处理的全生命周期看, 竹材是一种绿色环保的优质材料[1]。
我国是世界最大的竹产地, 竹的种类、面积、蓄积量和产量均居世界首位, 竹林总面积达420万公顷[2,3]。我国的竹材资源主要分布在福建、浙江、江西、湖南、广东、安徽、湖北等长江以南的亚热带地区。除我国外, 世界其他主要的竹产地还包括亚洲的印度、缅甸、泰国、日本和拉丁美洲的阿根廷、哥伦比亚、巴西、委内瑞拉等地[3]。
竹材的抗拉强度和强重比高, 材质均匀, 稳定性好且耐磨, 圆竹在我国乃至世界范围内的建筑领域有悠久的使用历史, 在浙江河姆渡和四川金沙遗址均出土了我国早期的竹结构房屋。我国湖南湘西吊脚楼、西南地区傣族民居“干阑式”竹楼是传统竹结构房屋的代表[4,5], 在福建土楼墙体中也普遍采用竹材作为拉结材料增强墙体的整体性能, 竹材至今依旧是我国多层建筑施工或维修的主要脚手架材料之一[6]。
圆竹虽然具有天然环保的特性和深厚的资源优势, 但其物理性能不稳定、易干裂, 单根圆竹承载力不高、节点连接复杂且易劈裂破坏, 导致其在建筑工程中的应用受到诸多限制;未经处理的竹材易受虫蛀、腐朽和霉变的损害, 耐久性能普遍不佳[4]。截至目前, 圆竹仍难以满足建筑业对材料的要求。工程竹生产工艺的成熟实现了对竹材利用的突破, 将圆竹经切削、蒸煮、炭化、干燥、胶合、重组等工艺, 制成尺寸规格、性能稳定的工程竹, 与圆竹相比, 工程竹的物理性能更加稳定、力学性能显著提升、耐久性能明显改善, 能满足竹材在建筑结构中的应用需求。
1 工程竹的物理力学性能研究
当前应用较广的工程竹包括竹材胶合板、竹席胶合板、竹席竹帘复合胶合板、竹材刨花板、竹篾层积材、重组竹等[7], 其中典型的建筑用工程竹包括竹集成材和重组竹。竹集成材又称为胶合竹[8], 由圆竹加工成定宽、定厚的竹片, 干燥至含水率8%~12%, 再通过胶黏剂胶合而成, 胶合竹保留了圆竹的竹片单元, 其材性与圆竹的联系更加紧密。重组竹对竹材的加工更加深化, 其以竹丝束为基本单元, 经过干燥、浸胶、组坯、热压固化而成, 是一种高强度、高密度、材质均匀的工程材料[9]。
对于竹材的物理力学性能测试方法, 目前国际上有针对圆竹的ISO标准Bamboo-determination of physical and mechanical properties-part 1:requirements (ISO 22157-1—2004) [10], 我国有针对竹材片状无疵小试样的国家标准《竹材物理力学性质试验方法》 (GB/T 15780—1995) [11]以及行业标准《建筑用竹材物理力学性能试验方法》 (JG/T 199—2007) [12]。对于工程竹, 目前尚无针对性的物理力学性能测试标准, 多参照木材及复合木制品的相关测试方法, 如Standard specification for evaluation of structural composite lumber products (ASTM D5456-17) [13]中所建议的各项测试标准。目前国内外学者对工程竹的物理力学性能已有广泛的研究。
1.1 胶合竹的物理力学性能
作为主要竹材产地和竹产品的使用地, 中、日、美、印度、南美等地区和国家的学者致力于研究工程竹的应用前景, 其中以胶合竹的研究最为广泛。江泽慧等[14]测试了竹集成材的含水率、水平剪切强度、老化性能及常规力学性能 (弹性模量和静曲强度) , 并与常见建筑用木材进行了对比, 证实其作为建筑材料的可行性, 但其抗老化性能需改善。张叶田等[15]研究了竹篾集成材和竹指接集成材的拉压弯剪力学性能, 并与几种常见的建筑用木材及C20混凝土、烧结多孔砖砌体的性能指标进行了比较, 证实竹集成材的综合力学性能优越, 用于建筑结构有广阔的前景。Sulastiningsih等[16]研究了竹材品种和胶合层数对胶合竹的抗弯强度和弹性模量的影响, 并与木材的性能指标进行了比较。Mahdavi等[17,18]总结了胶合竹 (包括平压、侧压和平侧相间竹集成材) 的制造工艺、物理力学性能、生产成本及环境效益, 并介绍了一种竹胶合板的简单手工制造工艺, 可用于没有重型加工机械的地区。Correal等[19,20]研究了以中南美洲盛产的瓜多竹为原材料制成的平压竹集成材的物理力学性能, 瓜多竹胶合竹相比其他多数胶合竹产品有更高的强度和刚度, 其强度高于常用工程木材, 是一种优质的建筑材料。肖岩等[4,21]基于竹席竹帘复合胶合板, 研发了Glubam胶合竹并对其拉压弯剪等基本力学性能进行了系统深入的研究, 得出了Glubam胶合竹的基本力学性能指标;参考木材容许应力的确定方法, 分析了从材性测试到构件级别的应力折减方法, 并研究了冷压胶合面对抗压强度的削弱影响。Verma等[22,23]研究了以不同部位的牡竹 (印度实竹, Dendrocalamus strictus) 竹片, 以及采用三种不同角度胶合成的平压竹集成材的抗拉、抗压、抗弯能力以及抗螺钉拔出能力, 并与工程常用硬木和软木的力学性能统计数据进行了比较, 发现胶合竹的平均强度与柚木等优质木材相当, 要优于软木和木制复合材料, 能够替代木材作为一种建筑承重材料。李海涛等[24,25,26]采用尺寸较大的试件, 测试了取自不同部位圆竹制成的侧压竹集成材的受压性能, 分析了胶合竹的压坏过程、破坏机理、应力应变模型, 从测试结果来看, 侧压胶合竹是一种适用于工程结构的建筑材料。Sharma等[27,28]对采用不同工艺生产的胶合竹试件进行了拉压弯剪材性测试, 研究了生产工艺对胶合竹力学性能的影响, 并与常用工程木材 (花旗松、云杉) 的性能进行了比较。
根据文献[14-28]的测试结果, 各类胶合竹产品的密度为600~1 000kg/m3, 含水率为8%~12%, 抗压强度多为40~60MPa, 抗拉强度多为90~140MPa, 抗弯强度多为90~120MPa, 抗弯弹性模量多为8 000~12 000MPa, 受压和受弯破坏表现出较好的塑性性能, 材料强重比高于钢材, 是一种综合力学性能很好的建筑材料, 可替代工程木材用于梁柱板等受力构件。但通过小试样测得的力学性能不能完全反映其强度特性, 需要通过大尺寸试验研究其在足尺结构中的性能, 其推广应用尚需解决技术、成本及规范等方面问题。
1.2 重组竹的物理力学性能
重组竹在我国经历了二十余年的发展, 传统的重组竹以竹窗帘加工的剩余物“竹丝”经简单疏解而形成的竹束为主要原料;近年来中国林业科学研究院木材工业研究所研发了竹基纤维复合材料的最新制造技术, 使得对圆竹的利用率和生产效率大幅提高, 可实现重组竹的工业化生产[9]。
关明杰等[29]对比了杨木重组木和毛竹重组竹的抗弯弹性模量和静曲强度, 研究了强度、弹性模量与密度的相关性, 探索了竹木结合制成的竹木重组材作为结构用材的可行性。张俊珍等[30]测试了慈竹重组竹的拉压性能, 与木材的相应参数进行比较, 证实重组竹各方向强度均优于常用木材。Huang等[31,32]研究了4~5年生毛竹制成的重组竹的力学性能, 分析了其各方向拉压剪破坏机理, 根据重组竹的纤维构成特性, 通过两向抗拉、两向抗压和三向抗剪共7个特征曲线来详细描述其各方向的力学性能, 并以多项式的形式给出了重组竹各个方向的单轴本构。Sharma等[28]参考木材的相关规范, 测试了重组竹在顺纹和横纹方向的拉压弯剪力学性能, 并与常用工程木材花旗松、云杉及圆竹进行了比较。李海涛等[33]采用较大尺寸的试件测试了重组竹顺纹和横纹方向的抗压性能, 分析了重组竹的受压破坏模式, 给出了其各个方向抗压强度、弹性模量和泊松比间的关系。
重组竹的各项物理力学性能与制备工艺及竹材品种密切相关, 在目前的生产工艺下, 根据文献[28-33]的测试结果, 重组竹的密度可达1 000~1 100kg/m3, 含水率为8%~10%, 抗压强度多为50~80MPa, 抗拉和抗弯强度可达120MPa以上, 甚至高达250MPa[30], 抗压和抗弯弹性模量为12 000~13 000MPa, 其综合力学性能优异且稳定。
以上对胶合竹和重组竹力学性能的研究, 多参照木材性能的测试标准, 各项标准对应的试件尺寸、形状有差异, 尤其是Standard specification for evaluation of structural composite lumber products (ASTM D5456-17) [13]采用的是无疵小试样, 试验测得的力学性能与用于大型构件时的力学性能存在较大差异。工程竹的力学性能受尺寸效应影响十分明显, 尺寸越大的试件包含越多的材料缺陷, 且胶合竹的承载力受到胶合面的直接影响, 尺寸越大包含的胶合面越多, 承载力越低。此外, 生产工艺、环境因素均对工程竹的力学性能有直接影响。如何将实验室测得的物理力学性能与实际相结合, 得到可用于结构设计的力学参数, 保证足够的安全度且经济合理, 需要经过大量的试验研究和理论分析。目前的研究普遍将工程竹的材性与工程木材进行对比, 对工程竹的本构模型、破坏准则有待深入探讨。
2 工程竹构件及连接节点的力学性能研究
2.1 工程竹构件力学性能研究
在工程竹构件力学性能的研究中, 以梁的弯曲性能和柱的受压性能研究为主, 这是工程竹结构中最基本的两种受力形式。吕清芳等[34,35]研究了竹材层积材梁的抗弯性能和重组竹柱的受压性能, 梁的受弯破坏以底部纤维分层拉断和斜向撕裂为主, 这两种破坏有明显的征兆, 是理想的破坏形态, 梁弯曲时的平截面变形假定是成立的;重组竹柱轴心受压时有优异的弹性变形恢复能力, 这对于构件在地震中保持良好的延性耗能能力及产生较小的震后残余变形有重要意义。肖岩等[36]研究了Glubam胶合竹梁柱构件的力学性能, 包括不同连接方式、不同叠合方式和指接接头[37]等因素对胶合竹梁抗弯性能的影响, 以及胶合竹结构柱的轴心受压性能[38,39], 给出了梁柱的承载力计算模型、计算方法和破坏准则, 并研究了胶合竹梁的疲劳性能[37]。Varela等[40]研究了将中南美洲盛产的瓜多竹制成的胶合竹板用在木框架-剪力墙外侧, 与核心木板共同作用抵抗侧向荷载的能力, 通过拟静力滞回试验证实胶合竹板用于抗侧力体系时有较好的耗能能力。Sinha等[41]研究了胶合竹以及由其胶合成的梁的力学性能, 证实集成材胶合竹相较结构常用木材如北美花旗松, 有更优的抗拉和抗弯强度。Huang等[31]和Zhou等[42]研究了5年生毛竹制成的重组竹梁的抗弯性能, 比较了取自圆竹不同部位的竹丝制成的重组竹梁的抗弯承载力[42], 分析了重组竹梁的弯曲破坏模式, 并通过重组竹材实测顺纹抗压和抗拉本构, 分析了梁的抗弯承载力[31]。Sharma等[27,28]进行了几种胶合竹制造工艺加工成的胶合竹梁以及重组竹梁的抗弯试验, 分析了梁的弯曲破坏过程。李海涛等[43,44,45]研究了大量以毛竹为原材料制成的集成材胶合竹梁柱的力学性能, 通过不同剪跨比下胶合竹简支梁的抗弯试验[43], 证实了梁弯曲时的平截面变形特点;通过不同长细比下胶合竹柱的轴压试验[44], 分析了长细比对柱抗压承载力和破坏模式的影响, 给出了考虑长细比的柱轴压稳定系数;通过不同偏心率下胶合竹柱的压弯试验[45], 分析了柱抗压承载力的偏心距影响系数。
2.2 工程竹节点力学性能研究
圆竹构件最传统的连接方式是钢丝或绳索绑扎以及榫接, 绑扎多用于脚手架及少数民房, 榫接参考了传统木结构的连接方式, 但开口使竹材在节点处强度减弱, 易劈裂和折断[3]。现代竹结构中出现了五金件套筒连接, 但由于圆竹尺寸不统一, 钢制节点对精度要求较高, 这种连接难以实现批量快速生产。工程竹的出现解决了这一问题, 工程竹结构的连接节点与木结构节点有非常相近的构造。
木结构连接节点的研究可追溯至1928年[46], 距今已有近90年历史, 研究涉及的影响因素众多, 也有较全面的理论基础, 如我国《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) [47] (2005年版) 采用了基于苏联的弹塑性理论, 美国NDS规程[48]及欧洲Eurocode 5规程[49]采用了基于Johansen的塑性屈服理论[50]。参考木结构的连接方式, 在工程竹结构中, 比较安全可靠且易操作的连接方式是钢螺栓连接。
对于胶合竹结构的连接节点, 费本华等[51]通过试验研究了胶合竹中螺栓连接件的承载力, 与规范建议的公式[48,52]进行了对比, 证实胶合竹中的螺栓连接件具有较高的强度、刚度和很好的延性。杨瑞珍[53,54]进行了Glubam胶合竹螺栓节点的抗压和单个螺栓抗拉性能试验, 分析了螺栓节点在拉压荷载下的破坏模式, 并与中美木结构规范[47,48,52]的建议公式进行了对比, 建立了受压和受拉特定加载条件下承载力计算模型。王朝晖等[55]通过对称双剪试验研究了竹帘胶合板螺栓连接的抗剪承载力, 分析了竹帘胶合板中胶层方向和密度对承载力的影响, 并与相同构造的木构件螺栓连接节点的承载力进行了对比, 发现竹帘结胶合板螺栓连接的承载力要大于落叶松螺栓连接, 能够达到中美木结构设计规范[47,48]计算的承载力。冯立[50]在总结木结构螺栓节点性能的基础上, 分析了螺栓连接原理, 对比了中美欧木结构设计规范[47,48,49]中的螺栓节点设计方法, 将Johansen屈服理论应用到现代竹结构螺栓节点中, 建立了以Glubam胶合竹为基材的胶合竹螺栓连接抗剪承载力计算公式并进行了框架试验验证。
在重组竹结构的连接节点方面, 李霞镇[56]研究了端距、主构件厚度、螺栓直径、螺栓间距及个数等因素对螺栓节点承载性能的影响, 评价了现代木结构螺栓节点计算公式用于重组竹螺栓连接承载力计算的适用性, 并推导了适合重组竹的销槽承压强度计算公式和螺栓连接承载力计算公式。周爱萍等[57]通过试验研究了重组竹构件采用钢填板螺栓节点时的顺纹抗拉承载力以及单个螺栓钢填板连接的抗压能力和变形能力, 并与中美木结构规范[47,48]和木结构设计手册[58]的计算公式进行了对比。由于重组竹的硬度大、加工性能差, 传统木结构中的节点构造形式如齿连接难以推广, 钢填板螺栓连接是一种有效的连接方式。章丛俊等[59]进行了竹层积材梁和重组竹柱连接十字形节点的低周反复加载试验, 以及工程竹框架整体结构的振动台试验, 研究了工程竹框架结构的动力特性、耗能性能、抗震性能, 并进行了节点形式的优化。
工程竹结构的节点构造与木结构相近, 因此其计算设计方法基本都是基于木结构节点已有的计算方法, 并针对工程竹的材料特性进行了修正和改进, 对工程竹构件和节点的设计尚未形成统一的设计理论和计算体系。
3 工程竹防火与耐久性能研究
3.1 防火性能
与木材类似, 竹材也具有可燃性, 其在高温和火灾下吸收热量温度升高, 材料中的水分蒸发, 含水率的改变以及材料本身的分解和炭化引起材料物理力学性能发生改变, 耐高温和防火性能限制了竹制工程材料的推广和使用。
周泉等[60]结合汶川地震后在四川广元北街小学、南鹰小学建造的Glubam胶合竹结构安置房工程实例, 以一间足尺装配式胶合竹结构房屋为对象, 研究了装配式竹结构房屋在受火状态下墙体温度场的变化情况以及房屋在火灾中的损伤破坏情况, 并与相同尺寸的轻钢结构板房进行了试验对比, 结果表明装配式胶合竹结构房屋相较轻钢板房具有更好的安全性和抗火性。马健[61]研究了Glubam胶合竹和轻型竹结构框架房屋的防火性能, 对采用防火漆进行阻燃处理后的胶合竹材进行燃烧性能分级试验, 证实经阻燃处理后的胶合竹板能达到B级燃烧性能;还进行了一个足尺轻型竹结构框架房屋的火灾试验, 测定了房屋的耐火极限, 证实采用文中所述建造方法建造的轻型竹结构框架房屋的整体结构耐火时间可达1h。Mena等[62]研究了瓜多竹圆竹和瓜多竹胶合竹的燃烧和防火性能, 与松木胶合木进行了对比, 通过三种材料在不同热通量下的点燃时间、火焰传播速率、炭化速度和高温下的抗弯强度对比发现, 瓜多竹圆竹及瓜多竹胶合竹比松木胶合木的点燃时间更长, 火焰传播更慢, 圆竹的炭化速度明显慢于胶合竹和胶合木, 三种材料在高温下抗弯强度的退化趋势接近。总体来说, 竹材的耐火性能要优于胶合木, 与各类常用木材相当。钟永等[63]研究了高温中和高温后竹层积材的抗弯性能, 通过不同温度下竹层积材的抗弯试验, 建立了竹层积材在高温中和高温后的相对抗弯强度与温度的关系模型。向金华[64]研究了重组竹的热物理性能、重组竹在高温下的力学性能以及重组竹单面和多面受火时的炭化性能, 得出了重组竹各项力学性能指标随温度的变化规律, 以及炭化速度随受火时间、含水率和纹理方向变化的规律。Shah等[65]采用瞬态平面热源法研究了毛竹和瓜多竹制作的几种工程竹产品的导热性能, 证实了竹材成分和密度对导热性能的影响;Zhong等[66]研究了重组竹在高温下和高温后的抗压强度和弹性模量, 以及重组竹发生热分解导致材性改变的临界温度;Xu等[67]研究了重组竹在高温下的抗拉、抗压性能, 给出了重组竹顺纹和横纹方向在不同温度下的应力-应变曲线, 以及强度和弹性模量随温度的折减系数;Xu等[68]通过锥形量热仪试验, 测试了胶合竹和重组竹的燃烧性能, 综合测试指标表明, 重组竹的耐火性能要优于工程软木, 胶合竹的耐火性能与软木相当, 锥形量热仪试验能够快速评价工程竹的燃烧性能。
目前关于工程竹结构耐高温和防火性能的测试数据还比较有限, 更多的是借鉴了木结构的测试方法和评价标准, 并与木结构的耐火性能进行比较, 对工程竹结构的防火措施也参考了相关木结构。总体来说, 工程竹的耐火性能与常用工程木材 (软木) 相当。
3.2 耐久性能
竹材的有机成分与木材相似, 其内在的纤维素、半纤维素、木质素等生物质成分, 在自然环境下会受光照、潮湿等气候条件影响, 在存储加工过程中易受虫菌腐蚀发生腐朽霉变, 未经防腐处理的竹材很难用于永久性建筑。
关于竹材的腐朽机理, Murphy等[69]、Sulaiman和Murphy[70]、Razak等[71]研究了腐朽菌侵腐竹材及降解细胞壁的机理;覃道春[72]利用扫描电子显微镜观察了白腐菌侵腐竹材的过程;徐明、任海青等[73,74]用扫描电子显微镜观察了白腐菌和褐腐菌侵腐毛竹的过程, 探讨了竹材腐朽途径和机理;黄安民等[75]、任红玲等[76]利用X射线衍射、傅里叶红外光谱、二维相关光谱等分析了白腐菌和褐腐菌腐朽毛竹过程中毛竹主要化学成分的变化, 揭示了圆竹材料受腐菌侵蚀的机理。
木材的耐久性能已有相关实验室试验方法[77,78]和野外试验方法[78,79], 能考虑霉菌以及微生物、白蚁等对木材长期性能的影响, 竹材耐久性能的评价目前多是参照上述试验方法和评价标准。对工程竹耐久性能的研究, 目前的研究方法包括自然或人工加速老化性能试验、天然耐腐试验和防霉试验, 通过材料老化或腐蚀霉变后外观、物理力学性能的改变程度来评价其耐久性能。
秦莉等[80,81]研究了热处理后竹束制备的重组竹材的人工模拟气候加速老化性能、室外自然老化性能、循环加速老化性能及防霉耐腐性能, 探讨了人工加速老化与室外自然老化的关系, 揭示了在不同老化环境下重组竹材料性能变化规律, 研究结果显示, 重组竹能够达到I级强耐腐要求, 但对霉菌的防治作用有限, 特别是对蓝变菌的抑制能力较差。魏万姝等[82]研究了不同竹龄慈竹重组竹的天然耐腐及防霉性能, 在天然耐腐性上, 慈竹重组竹经褐腐菌和白腐菌的实验室加速腐蚀, 失重率不足5%, 达到强耐腐等级, 但在天然防霉性上, 慈竹重组竹素板的天然防霉性能极差, 需对其进行防霉处理来提高其使用价值和经济效益, 而竹龄对耐腐性和防霉性的影响不显著。张亚慧等[83]进行了3~4年生毛竹和慈竹生产的竹基纤维复合材料的循环暴露试验, 模拟户外自然条件的变化对力学性能和尺寸稳定性的影响, 与商业重组竹产品进行了比较, 表明户外用竹基纤维复合材料的耐久性要优于户外商业化重组竹产品。陈杰[84]进行了Glubam胶合竹的人工加速老化试验, 模拟自然气候中的太阳光照和降雨对Glubam胶合竹的影响, 经过一定周期的光照和喷淋循环后, 测试了老化后Glubam胶合竹的物理力学性能, 试验结果表明, 未经处理的Glubam胶合竹试件在加速老化后其纤维层的粘结能力大大降低, 各力学性能有不同程度的下降, 封边处理能够提高试件的抗老化能力。张禄晟等[85]研究了经防腐处理后的胶合竹的耐腐性能, 采用水载铜基防腐剂季铵铜和铜唑进行防腐处理, 并通过失重率来评价其耐腐性能, 试验表明, 防腐后处理能显著提高胶合竹的防腐性能, 但防腐剂的抗流失性能有待提高。
上述总体研究结果表明, 工程竹产品受到自然条件的影响会发生不同程度的老化, 总体来说重组竹的抗老化性能要优于胶合竹。在耐腐性能上, 重组竹经过高温干燥和酚醛树脂的浸胶处理, 耐腐性能基本达到强耐腐等级, 而集成竹材 (胶合竹) 中竹纤维与胶黏剂的粘结面积较小, 胶合竹素板对木腐菌的抵抗能力较差, 防腐处理是必要的。而在防霉性能上, 重组竹防霉性能较差, 若不经特殊防霉处理极易霉变, 目前尚未有针对胶合竹的防霉性能报道。
4 工程示范
在国际竹藤组织和中国林业科学研究院的技术支持下, 云南屏边小学宿舍于2004建成, 校舍屋架、屋顶板及内外墙板分别用竹集成材和竹胶合板制成, 这是首次将竹人造板作为结构材料用于建筑中[86]。Integer China研究团队与云南世博兴云房地产有限公司于2008年在昆明联合完成了一栋多层现代复合竹结构住宅, 结构体系参照轻型木结构住宅的结构形式, 由竹集成材通过螺钉和不锈钢连接件进行整体拼装, 形成盒子结构, 其抗竖向荷载和横向风荷载、地震作用的能力均超过木结构房屋, 具有经济、安全、生态、环保的特点[87]。吕清芳等[88,89]介绍了在南京林业大学校园内建设的新型竹结构抗震安居示范房工程, 采用梁-柱+格栅-墙骨柱构成多约束、多传力路径的受力体系, 用竹帘胶合板制作楼屋面板及墙板, 竹材层积材制作梁, 竹材重组竹制作柱, 探讨了现代竹结构设计的抗震体系、节点构造、防潮与防火措施等。
湖南大学研究团队基于对Glubam胶合竹的研究, 设计并建造了一系列示范工程, 包括三种结构形式:1) 装配式竹结构房屋, 以2008年6月和11月为四川省广元市南鹰小学、新民小学等地建造的四十余套装配式竹结构房屋为代表[90];2) 轻型竹结构框架房屋, 2009年2月在湖南大学土木工程学院设计并建成世界首座现代竹结构两层别墅, 2009年6月由国际竹藤组织 (INBAR) 资助在北京紫竹院公园设计并建造了竹结构示范工程, 由构件断面较小的规格胶合竹均匀密布连接组成[91,92];3) 现代竹结构桥梁, 2006年在湖南大学校园内设计并建成了世界首座现代竹结构人行天桥[93], 在湖南省耒阳市导子乡柳上村成功建成了世界上首座竹结构桥梁[94]。
5 标准编制
在技术标准方面, 《竹材物理力学性质试验方法》 (GB/T 15780—1995) 、《建筑用竹材物理力学性能试验方法》 (JG/T 199—2007) 、国际标准化组织标准Bamboo-determination of physical and mechanical properties-part 1:requirements (ISO 22157-1—2004) 和Bamboo-determination of physical and mechanical properties-part 2:laboratory manual (ISO/TR 22157-2—2004) 均是圆竹物理力学性能的测试方法标准, 中国工程建设标准化协会标准《圆竹结构建筑技术规程》 (CECS 434—2016) 规定了圆竹建筑中的结构、防火、隔声、保温等设计要求。
目前针对工程竹结构的技术标准仍很缺乏, 工程竹结构研究和设计多参考工程木的相关标准, 但工程竹和工程木存在明显差异, 参考使用存在一定的安全隐患。鉴于此, 中国林业科学院正在主编林业行业标准《结构用重组竹》, 对结构用重组竹的分类、产品要求、试验方法、力学性能特征值确定方法和质量控制等进行了规定。上海市建筑科学研究院正在主编中国工程建设标准化协会标准《工程竹结构设计规程》《工程竹结构施工及质量验收技术规程》和《工程竹结构检测技术规程》, 对工程竹结构的设计、施工、验收、检测等进行规定。国际标准化组织正在编制Structural uses of laminated bamboophysical and mechanical testing。工程竹系列技术标准的编制, 将极大地促进工程竹结构在我国的研究和推广应用。
6 结论
竹材是一种优质环保的建筑材料, 在土木工程中的应用历史悠久, 工程竹作为对竹材的深加工, 既保留了竹材优良的力学性能, 又消除了竹材作为生物质材料的不确定性, 使得竹材用于现代工业建筑成为可能。工程竹产业的起步晚, 目前对工程竹结构的研究尚处于起步阶段, 工程竹产品的造价依旧偏高、产量有限, 降低了工程竹用于建筑结构的竞争力。研发高效稳定的生产工艺, 降低成本, 有助于推动工程竹结构的发展。工程竹在建筑结构中的推广还面临以下关键技术问题, 有待深入研究。
(1) 对材性的研究中, 不同产地、不同品种、不同竹龄的圆竹性能存在差异, 不同厂家的生产工艺亦对工程竹产品的物理力学性能有直接影响, 目前还没有工程竹产品的统一生产标准, 也没有工程竹材性的评价指标, 对工程竹物理力学性能的掌握还处于个体数据阶段, 需要建立具有足够置信度的性能指标体系, 尽早编制相关标准。
(2) 工程竹有很好的延性和弹性恢复能力, 因此工程竹结构用于高烈度区有很大的潜力, 结构的抗震分析需解决构件在复杂条件下的力学性能, 因此应开展复杂应力条件下工程竹的力学性能研究, 建立工程竹的三维本构和破坏准则, 用于理论分析和数值模拟, 并辅以完善的抗震构造措施。
(3) 工程竹内在的生物质属性令其易受自然环境及虫菌的腐蚀, 发生老化、腐朽和霉变, 在研究基础和工程经验有限的情况下, 加速老化和实验室腐朽霉变试验是研究其耐久性能的有效手段, 但耐久性能受到多项复杂因素的耦合影响, 耐久性增强措施是否有效可靠, 尚需时间的检验。
(4) 目前工程竹结构有少量示范工程, 但仍未进入推广阶段。鉴于我国正在大力推广绿色建材和装配式建筑, 有必要进行工程竹结构技术标准的研究和编制, 以为工程竹结构的建造提供关键技术支撑。
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