0 引言

　　竹材和木材均为生物质材料，具有可再生、易降解、强重比高、轻质抗震、保温隔热等优点，近年来在绿色建筑和装配式建筑领域越来越受到重视。我国竹林面积、竹材蓄积和产量均居世界首位，在我国推广竹制建材和竹结构建筑具有天然优势，目前较成熟的结构用工程竹包括胶合竹和重组竹。

　　研究人员于20世纪70年代末利用现代胶合工艺对圆竹进行改性重组，制成符合现代建筑工业需求的规格材料。胶合竹也称为竹集成材，是以定宽精刨竹片为构成单元，按顺纹组坯经热压胶合而成的板材或方材^[1,2]。胶合竹中保留了圆竹竹片单元，其材料性质与圆竹的联系较紧密。重组竹对竹材的加工更深化，以竹束为构成单元，浸渍水溶性酚醛树脂，干燥后按顺纹组坯经热压胶合而成，是强度高、密度大、材质均匀的工程材料，对原材料的利用率可达90%以上^[2]。上述2种竹材尺寸规整、性能稳定，突破了圆竹在尺寸、连接等方面的限制，是竹结构建筑从个体化走向工业化的突破。采用工程竹作为主要承重构件的结构在保留生态绿色的基础上实现了标准化与现代化，具有广阔的推广应用前景。

　　部分经济速生木材(如云杉等)成材快，但材料强度相对较低，存在木节等缺陷，单独使用无法满足结构承重需求。国内外学者先后采用金属材料及纤维增强复合材料增强胶合木梁，并进行试验研究^[3,4,5]。工程竹材与木材均属于生物质材料，在变形能力、胶合性能等方面接近，能实现协同受力、共同变形。将工程竹材与速生木材进行组合使用，可提高构件承载力，既能更好地利用经济速生树种，又能有效降低结构质量^[6]。

　　对足尺花旗松胶合木梁、工程竹梁及胶合竹木梁进行受弯性能试验，研究试件破坏模式、承载力、变形特点，总结工程竹木梁受弯性能特点，以期实现对绿色建材的高效利用。

　　1 试验概况

　　1.1 试件设计及制作

　　设计花旗松胶合木梁、胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁各3根，进行三分点受弯加载试验。试件尺寸均为3 620mm×100mm×190mm(长×宽×高)，层板构成如图1所示，胶层采用HB S709PURBOND聚氨酯胶粘剂。花旗松胶合木梁(编号DFS1,DFS2,DFS3)由6层花旗松层板胶合而成;胶合竹梁(编号LBS1,LBS2,LBS3)和重组竹梁(编号BSS1,BSS2,BSS3)分别由10层胶合竹层板和重组竹层板胶合而成;胶合竹木梁(编号LDS1,LDS2,LDS3)中间层由3层强度较小的云杉层板胶合而成，上部2层和下部3层由胶合竹层板胶合而成。

　　1.2 试件加载

　　加载装置如图2所示，参考GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》^[7]中梁弯曲试验方法，试验剪跨比取6.0，剪跨段长1 140mm。试件简支在铰支座上，支座间距3 420mm。

　　图1 试件层板构成  

　　图2 加载装置  

　　首先测试试件弯曲弹性模量，由F₀至F₁反复加、卸载5次，F₀取试件预估极限承载力的10%,F₁取预估极限承载力的40%。确保试件每次加、卸载挠度无明显差异后，采用位移控制持续加载至试件破坏，位移控制加载速度为5mm/min。

　　在试件跨中、加载点正下方及支座处布置位移计，测试试件变形;在试件底面、顶面和跨中侧面布置应变片，测试试件应变，如图2所示。荷载、位移和应变数据均通过DH3817型动态数据采集仪同步记录。

　　1.3 层板材料性质测试

　　参考木材相关材料性质测试标准，测试试验用胶合竹、重组竹、花旗松和云杉含水率、密度、顺纹抗压强度、顺纹抗压弹性模量、抗弯强度和抗弯弹性模量，每种材料测试6个试件，取平均值作为测试结果，如表1所示。

　　2 试验结果

　　2.1 破坏模式

　　各试件破坏均由下部纤维在跨中被拉断引起，下部纤维被拉断后因能量释放，产生突然向下的变形，引起断裂面两侧各自向下变形，导致层板内部出现沿纤维的撕裂裂缝。试验中未发生下部纤维拉断前的胶层破坏，说明胶合质量良好，胶层强度满足要求。

　　表1 材料性质测试结果 

　　表1 材料性质测试结果

　　花旗松胶合木梁DFS2因下部层板跨中存在木节，在较小的荷载作用下木节处发生拉断，承载力明显小于同组其他试件。相比之下，工程竹层板受缺陷的影响较小，工程竹梁和胶合竹木梁力学性能更稳定。

　　2.2 荷载-位移曲线

　　各试件荷载-位移曲线如图3所示，P为加载点总荷载，δ为扣除支座沉降后的跨中位移。由图3可知，花旗松胶合木梁从加载到最终破坏，跨中位移随着荷载的增加基本呈线性变化，未出现明显的塑性变形;胶合竹梁和重组竹梁在加载初期跨中位移随着荷载线性增加，接近极限荷载时出现少量塑性变形;胶合竹木梁塑性变形出现较早，当荷载达到极限荷载的50%后即出现，在胶合竹与胶合木的组合作用下，表现出更好的韧性和变形能力。

　　图3 试件荷载-位移曲线  

　　2.3 跨中截面应变

　　加载过程中代表性试件跨中截面应变分布如图4所示，拉应变为正，压应变为负，坐标原点为截面中点。由图4可知，各试件跨中截面测点应变沿梁高基本呈线性分布，符合平截面假定。仅花旗松胶合木梁在接近极限荷载时，跨中截面局部缺陷引起应力集中，导致个别测点应变出现波动。胶合竹木梁变形符合平截面变形特点，说明胶层能抵抗不同材料叠合引起的层间剪应力，外侧胶合竹层板和中部胶合木层板能实现共同受力、协调变形。

　　各试件达到最大荷载时，受压侧跨中极限压应变和受拉侧跨中极限拉应变如表2所示。由表2可知，相比花旗松胶合木梁，其他3组试件极限拉、压应变均大幅增加，胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁跨中极限压应变较花旗松胶合木梁分别提高167%,119%,221%，极限拉应变分别提高185%,117%,165%，可知变形能力均优于胶合木梁。

　　2.4 抗弯刚度和承载力

　　根据《木结构试验方法标准》，采用下式计算试件抗弯刚度试验值:

　　式中:E_m,appI为梁抗弯刚度(N·mm²);ΔP为荷载增量(N);Δδ为在荷载增量作用下，梁跨度范围内产生的中点位移(mm);l₀为测量位移的标距，此处为梁跨度;a为加载点至该侧支撑点的距离。

　　由荷载-位移曲线可得各试件屈服荷载P_y和极限荷载P_u及对应的跨中位移δ_y，δ_u。屈服点根据能量等值法进行计算^[8]，以过原点和曲线峰值点的理想弹塑性双折线和原曲线包围的面积相等为原则，双折线拐点位移为屈服位移，荷载-位移曲线上达到屈服的点为屈服点。

　　图4 跨中截面应变分布  

　　表2 跨中截面极限应变 

　　表2 跨中截面极限应变

　　表3 抗弯刚度和承载力 

　　表3 抗弯刚度和承载力

　　各试件E_m,appI,P_y,P_u，δ_y，δ_u如表3所示，由表3可得以下结论。

　　1)重组竹梁抗弯刚度最大，抗弯刚度平均值较花旗松胶合木梁大28%，胶合竹木梁抗弯刚度略大于胶合竹梁。

　　2)试件DFS2因下部层板跨中存在木节，P_u明显小于同组其他试件。相比花旗松胶合木梁，胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁P_y,P_u，δ_y，δ_u均有所提高，P_u平均值分别提高28%,91%,38%，δ_u平均值分别提高94%,63%,118%。

　　3)胶合竹木梁P_y,P_u，δ_y，δ_u均大于胶合竹梁，表明通过胶合竹与胶合木的组合使用，胶合竹木梁受弯性能与胶合竹梁接近，胶合竹强度和变形能力得到充分利用。

　　3 结语

　　通过对足尺花旗松胶合木梁、胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁受弯性能进行试验研究，分析试件受弯承载力和变形特点，得出以下结论。

　　1)试件破坏均由下部纤维在跨中被拉断引起，下部纤维拉断后因能量释放，伴随着沿纤维的撕裂裂缝，试验中未发生下部纤维拉断前的胶层破坏。与胶合木梁易受到木节等缺陷的影响相比，工程竹层板受缺陷的影响较小，工程竹梁和胶合竹木梁力学性能更稳定。

　　2)胶合木梁、胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁试件变形均符合平截面变形特点，说明胶层能抵抗不同材料叠合引起的层间剪应力，外侧胶合竹层板和中部胶合木层板能实现共同受力、协调变形。

　　3)胶合竹木梁P_y,P_u，δ_y，δ_u均大于胶合竹梁，表明通过工程竹材与速生木材的组合使用，胶合竹木梁受弯性能与胶合竹梁接近，胶合竹强度和变形能力得到充分利用。

　　4)胶合竹梁、重组竹梁和胶合竹木梁跨中极限拉、压应变均较花旗松胶合木梁显著提高，跨中极限压应变较花旗松胶合木梁分别提高167%,119%,221%，极限拉应变分别提高185%,117%,165%，变形能力均优于胶合木梁。

　　5)通过工程竹材与速生木材的组合使用，达到甚至超过优质胶合木梁受弯性能，有效提高木竹等绿色材料的使用效率。