传统建筑材料混凝土和钢材是高耗能、高污染的工业产品，需消耗大量的能源^[1]，排放废气、废水和废渣，严重影响生态环境。绿色发展和可持续发展已成为当今社会的重大主题，绿色、节能、环保、低碳是当代土木工程发展的必然选择^[2,3]。

　　 在欧美、日本等发达国家，木材已广泛应用于建筑和桥梁工程中^[4,5]，木结构理论研究和应用趋于成熟。然而，中国的木材资源相对匮乏，相反，竹资源却相当丰富^[6,7,8,9]。竹材具有生长周期短、再生能力强、可降解、轻质高强等优点^{[10,11,12,13,14,15]}，“以竹代木”是一项适合我国国情的合理选择。

　　 重组竹由原竹重新组织，按顺纹方向碾压成丝，再经干燥、浸胶、组坯、热压固化强化成型，以通长并相互交联的竹丝束为基本单元^[16]。

　　 但是相对木材而言，竹材细胞中含有较多的淀粉、还原糖、蛋白质、脂肪等，在温暖潮湿的环境中容易发生腐蚀、霉变和虫蛀现象，这一缺陷极大缩短了竹材的使用寿命。重组竹将竹材经过高温碳化及防腐处理后，不易遭虫蛀和发生霉变与腐朽，经久耐用，并且具有含水率低、密度大、变形小、硬度高、抗白蚁等特点^[17,18,19]。

　　 目前，重组竹产品按照是否碳化分为两种，一种为用于室外露天环境的碳化产品，一种是用于非露天环境的非碳化产品。

　　 本文试验采用桃花江牌重组竹材产品，该产品采用现代领先的竹材加工技术，经物理手段加工而成，没有添加任何防腐添加剂。参照ASTM D143-09^[20]试验标准制作试件并制定材性试验方案，试验设备为30t的万能电子试验机，每个类型的平行试件5个。由于设备调试不当，两种材料各有一组压缩试验数据未得到保存，每个类型的试件只有4个。试件形状及材性测试单轴应力-应变关系曲线如图1～4所示。碳化重组竹顺纹方向拉伸试件编号依次为LC1～LC5，非碳化重组竹顺纹方向拉伸试件编号依次为L1～L5，碳化重组竹顺纹方向压缩试件编号依次为YC1～YC4，非碳化重组竹顺纹方向压缩试件编号依次为Y1～Y4。

　　 由图1与图2可以看出，重组竹顺纹方向拉伸应力-应变呈线性关系，当荷载达到最大值时，试件发生脆性断裂，非碳化试件的极限拉应变较大。由图3与图4可以看出，加载初期，应力-应变曲线呈线性关系，继续加载至超过比例极限荷载，应力-应变曲线出现非线性变形，当荷载达到峰值后，承载力开始下降，应力-应变曲线斜率转为负值，碳化试件随即“炸裂”，非碳化试件并未立即破坏仍具有一定的承载力，碳化试件的极限压应变较大。

　　 本试验所选用重组竹的弹性模量及极限强度汇总结果如表1所示。

　　 由于目前国内尚无竹制复合材料构件制作的相关标准及试验方法，本文试验参照ASTM D198-02木结构梁的试验方法^[21]。每组试件制作3根重组竹材矩形梁，碳化重组竹梁编号依次为S1～S3，试件截面尺寸为宽90mm，高150mm，长1 860mm，计算跨度为1 500 mm;非碳化重组竹梁编号依次为B1～B3，试件截面尺寸(宽×高×长)为70mm×140mm×1 870mm，计算跨度为1 500 mm。

　　 为研究重组竹梁的抗弯性能，采用四点弯曲加载法，试件两端简支，千斤顶施加的荷载通过分配梁平均分配到两个加载点上，加载点间距500mm(1/3梁净跨)。因各重组竹梁试件的截面高宽比均小于3，梁侧面不需要附加防止其失稳的支撑。正式加载前，先对试件进行预加载，预加载速率尽量保持平稳匀速，加载至4kN，保持2min，然后匀速卸载至0kN，重复两次，以消除加载装置、百分表和试件之间的间隙，同时检查试验设备是否正常，使结构达到相对稳定的一种状态。

　　 本文试验采用千斤顶分级加载的方式，预加荷载为4kN，随后对重组竹梁分级加载，每级加载4kN，并保持稳定2min，加载至40kN时，每级加载2kN，分别记录下相应的荷载、挠度与应变，直至梁破坏。为测量重组竹梁在加载过程中横截面应变沿高度的变化，在重组竹梁的跨中截面沿梁高度等间距粘贴5个应变片。试验时在试件的跨中及支座处布置百分表以测定试件在荷载作用下的竖向挠度。

　　 试验现象表明，碳化重组竹简支梁表现为脆性破坏，加载过程中无可见裂缝与明显外鼓现象，断裂无显著预兆。加载早期梁几乎处于弹性状态，无可见的裂缝变形，当荷载加至极限荷载的75%左右时，梁跨中呈现幅度极小的肉眼可见变形，随着所加荷载接近极限荷载，梁断裂之前，可清晰听到极短的竹束开裂的响声，当加载至极限荷载时，梁突然从纯弯曲段底部开始断裂，断裂区域横向裂缝仅一条，断裂面比较平整，沿高度方向呈Z字形，如图6所示。

　　 非碳化重组竹简支梁表现为延性破坏，具有非常好的延性。加载初期材料基本处于弹性阶段，未见明显裂纹。随着荷载加大，肉眼可见幅度较大的变形，但无可见裂纹，当荷载加至极限荷载的80%左右时，开始不断有竹束剥离的“咔、咔”响声，梁受弯段中和轴下部开始出现细微且短小的水平裂纹，裂纹随荷载的增加迅速沿长度方向扩展，梁底部最外层竹束首先被拉断，加载至极限荷载后承载力急剧下降，水平裂纹延长加宽，最后梁底部部分竹束横向拉断，但梁挠度较大，裂而不断，如图7所示，此时梁仍能承受极限荷载的15%左右，由于千斤顶量程有限，无法继续加载，卸载后，约35%～50%的变形得到恢复，表现出非常好的延性和弹性。

　　 碳化重组竹梁在加载过程中，跨中挠度随荷载增加基本呈线性关系，当加载至极限荷载时，梁无预兆断裂。梁的破坏具有突然性，如图8所示。

　　 由图9可以看出，非碳化重组竹简支梁在加载初期，随着荷载的增加，跨中挠度基本呈线性增加，当加载至极限荷载的60%时，梁表现为一定的非线性变形，梁的弯曲刚度随荷载增加缓慢降低，跨中挠度增长较快，当荷载加至极限荷载后，刚度迅速下降，但仍能保持至少20%的极限荷载承载力。从图9还可以看出，当梁的挠度达到6mm时，即达到正常使用极限状态梁的挠度限值L/250(L为梁跨度)时，梁的承载能力能达到极限承载能力的27%，表明正常使用极限状态与承载能力极限状态不匹配，若设计由正常使用极限状态控制，材料的强度得不到充分发挥^[22]。

　　 另外，从试验结果可以看出，如表2所示，碳化重组竹梁几乎没有非线性变形阶段，一直到梁破坏都处于弹性阶段，破坏时几乎没有任何预兆，脆性非常明显，不宜于作为结构构件。非碳化梁弹性阶段的变形占极限承载力对应变形的40%，弹性阶段承载力占极限承载力的60%，达到极限承载力时的变形为梁跨度的1/40，且达到极限承载力后梁并没有破坏，还有一定的残余承载力，并维持比较大的变形，因此非碳化重组竹具有很好的延性，可作为结构构件使用。

　　 图10(a),(b)分别为试件S3和试件B3跨中截面应变随荷载变化沿高度分布图，由图可以看出，碳化梁和非碳化梁在加载过程中跨中截面应变都基本保持线性比例关系，截面未发生翘曲，剪力影响可忽略，平截面假定成立。不同的是，碳化梁的中和轴基本不随外荷载的增加而移动，但非碳化梁的中和轴随外荷载的增加逐渐下降，受压区应变略大于受拉区应变。

　　 为了导出重组竹梁极限受弯承载力计算公式，本文将重组竹理想化为横观各向同性材料，忽略剪切效应，假定梁的受弯破坏截面承载力极限状态为:1)梁横截面的平均应变符合平截面假定，梁在弯曲变形过程中不发生截面翘曲;2)梁达到承载能力极限状态时，受拉区处于弹性变形，受拉区外侧纤维达到受拉极限强度;3)考虑材料的受压塑性，为简化分析，假定塑性受压区应力维持受压比例极限强度。

　　 重组竹梁承载能力极限状态下的应力和应变如图11所示。图中σ_cu为重组竹受压强度，σ_ce为重组竹受压比例极限，σ_tu为重组竹受拉强度，ε_c为重组竹受压强度应变，ε_ce为重组竹受压比例极限应变，ε_tu为重组竹受拉强度应变，y_p,y_c和y_t分别为塑性受压区、弹性受压区以及受拉区的高度，h为梁总高度。

　　 建立二维笛卡尔坐标系，设x轴与梁的纵向中性轴重合，参照见图11。截面正应力表达式为:

　　 式中:E_c为重组竹纵向抗压弹性模量;E_t为重组竹纵向抗拉弹性模量;k_p为弯曲的截面曲率。

　　 根据平截面假定，弹性受压区高度和弹性受拉区高度存在如下关系:

　　 式中ξ=E_t/E_c。

　　 梁截面的正应力平衡条件为:

　　 式中b为截面宽度。

　　 将式(1)代入式(3)中可得:

　　 将此式进行积分得:

　　 即:

　　 结合下式:

　　 推导可得:

　　 梁破坏截面弯矩表达式为:

　　 由重组竹材性试验测得了碳化和非碳化重组竹的极限受拉强度、比例极限受压强度及拉压弹性模量比值，代入式(6)求得截面应力分布高度y_p,y_c,y_t，由式(7)可求得截面极限弯矩，结合纯弯曲段,L₁如图5(a)所示，从而求得承载能力极限状态时的最大荷载，计算结果见表3，计算结果与试验实测基本一致，说明本文建立的重组竹梁极限承载能力的计算方法是可行的，碳化试件可引入一个折减系数使计算值更安全。

　　 (1)碳化重组竹梁在加载过程中，跨中挠度随荷载增大基本呈线性增加，加载过程中无可见裂缝与明显外观变化现象，断裂无预兆，表现为脆性破坏，且梁的极限承载能力因碳化而有所减弱，不宜用于结构构件。

　　 (2)非碳化重组竹梁在加载初期，跨中挠度随荷载呈线性增加;当加载至极限荷载的60%时，非线性变形明显;当加载至极限荷载后，刚度迅速下降，变形明显，但仍能保持至少15%的极限承载力;卸载后，变形恢复约35%～50%。试验表明非碳化重组竹表现出较好的延性和变形恢复能力，是良好的结构构件材料。

　　 (3)碳化梁和非碳化梁在受弯过程中截面应变沿高度方向的变化呈线性关系，满足平截面假定。

　　 (4)提出了重组竹简支梁的极限承载力受力模型和计算方法，计算结果与试验结果基本一致。