在越来越重视可持续发展的当今社会, 竹材受到了广泛关注。我国有着用竹材建造房屋和桥梁的悠久历史^[1], 而现代竹结构主要指经过工程计算分析, 采用现代加工及施工技术所建造的以竹材为主要材料的结构。竹结构按制作构件的材料大致可以分为圆竹结构及工程竹结构。工程竹一般指的是通过胶合而重新组合的竹基材料。

　　 中国学者曾对圆竹在建筑中的应用做了大量的研究, 除测定竹材的物理力学性能^[2]外, 还进行了整竹杆件承载能力^[3]、螺栓连接及竹屋架^[4,5]的试验。竹材自重轻, 便于架设多层建筑的建造和维修时的脚手架, 所以竹脚手架在中国曾一度大量应用^[6]。在南美洲等竹材产区, 采用瓜竹制作的圆竹结构被比较广泛地用于建造桥梁和建筑^[7]。国际标准化组织InternationalOrganizationfo Standardization (ISO) 于2004年颁布了针对圆竹结构的标准Bamboo-Structural Design (ISO 22156) ^[8]。

　　 20世纪后期, 采用胶合压制技术制成的胶合竹开始出现, 最初主要用于地板、汽车底板、包装箱等, 后来由于国内木材缺乏, 胶合竹板被广泛用于混凝土结构的模板。21世纪初, 国内外一些学者和工程师开始试图将胶合竹用于结构工程中, 参照工程木的称谓, 这些以竹材作为基材的结构用胶合竹材也可以统称为工程竹 (engineered bamboo) 。笔者的团队对工程竹做了10余年的研究和工程应用探索, 研发了基于二次胶合压制的格鲁斑 (Glubam) 胶合竹^[9]。本文重点介绍胶合竹结构相关的研究进展。

　　 胶合竹的制造工艺主要包括加工胶合竹板 (plybamboo) 的热压工艺和后续根据设计需要加工构件的冷压工艺。胶合竹结构的制作过程可以比拟为钢结构的加工, 加工胶合竹板类似热轧钢板, 形成尺寸比较规则便于运输的板材, 而后续的冷压加工类似在钢构件加工厂将板材进行切割和连接 (钢结构为焊接, 胶合竹结构为冷压胶合) 制成各种满足设计要求的结构构件。

　　 格鲁斑胶合竹的原材料一般为毛竹, 而根据加工竹板所采用的竹片厚度又可以分为薄片胶合竹板和厚片胶合竹材。

　　 薄片胶合竹板也称为竹帘胶合板, 首先将毛竹劈成竹条并剖成厚度约2mm、宽度约20mm的竹蔑, 然后经过编帘、干燥、施胶、再干燥、组坯, 最后在150℃高温和5MPa的压力下热压约20min, 制成厚度约为30mm的胶合竹板, 其长度一般为2 440mm, 宽度一般为1 220mm。结构用薄片胶合竹板纵向与横向的竹纤维配置比例为4∶1^[10]。

　　 厚片胶合竹材也称为竹集成材。首先将圆竹加工成宽度约20mm、厚度约5~8mm的竹条, 然后在150℃的高温和5MPa的压力下热压约20min制成竹板, 压制过程中一般还需要在板的侧向施加约1.5MPa的压力。比起薄片胶合, 厚片胶合对于竹条的精度及压制过程的精度要求较高, 得材率相对低, 因此造价相对较高。此外, 热压工艺本身耗能较高, 且压制的厚度有限, 对时间控制要求较严。图1给出两种胶合竹板的对比。

　　 格鲁斑胶合竹构件一般都由多层胶合竹板, 在常温下施胶加压叠合, 制成构件。对于尺寸较大的构件, 在冷压的同时需要对长度有限的板材进行接长, 一次性整体胶合成型。接长一般可以采用齿接, 并分层错开。将切割并开齿后的单板材按叠铺要求编号, 然后按由下至上的原则分层在单板的指接头和叠合面涂刷粘结剂, 再将叠铺好的板材移入特制的冷压机上, 然后施加压力, 待粘结剂固化达到要求后即可进行下一步加工。图2为笔者课题组研制的组合式多功能冷压机, 冷压机由标准节段构成, 因此冷压机的加工长度可根据加工构件的要求进行改变, 且可以双向施加压力, 压力通过同步液压系统加载。从冷压机上卸下构件胚体, 进行必要的外观加工, 如切边、刨光等处理, 对于厚度差异较大的构件, 可进行砂光定厚。根据设计, 可能还需要对构件进行最后的加工, 如钻孔或安装连接件等。

　　 笔者的课题组目前为止参照规范^[11]进行了大量的有关胶合竹材的材性试验, 获得了各种强度数据。表1给出了薄片及厚片胶合竹的拉、压、弯、剪平均值及统计参数。

　　 需要指出的是, 目前有关胶合竹材的材性实验并无成熟的标准, 笔者在试验时遵循的是国内外木结构材料的试验方法^[11]和规程^[12]。除了出于现实的考虑外, 本身也和目前的研发定位有关, 因为格鲁斑胶合竹是作为格鲁斑胶合木的替代品研发的。作为天然材料的木材变异较大, 其材性试验往往需要很大的试件量。而胶合竹材是经过一定程序加工而成的人工材料, 变异性相对较小。图3给出了有关胶合竹剪切强度的试件量和统计值的对比, 62个试件及任意30个试件的统计参数差别甚微^[13]。因此, 在今后建立有关胶合竹的材性试验标准时可以适当合理减少试件数目。

　　 在上述材性试验数据的基础上, 按照《工程结构可靠性设计统一标准》 (GB 50153—2008) ^[14], 强度标准值f_k为:

　　 式中:μ_f为小清样试件强度试验结果的平均值;σ_f为试验结果的标准差;f_k为小清样试件强度的标准值 (概率分布的0.05分位值) 。

　　 根据《木结构设计手册》^[15], 胶合竹强度设计值f_d为:

　　 式中:K_P为方程准确性影响系数;K_A为尺寸误差影响系数;K_Q为材料强度折减系数K_Q=K_Q1×K_Q2×K_Q3×K_Q4, 其中:K_Q1为天然缺陷影响系数;K_Q2为干燥缺陷影响系数;K_Q3为长期受荷强度折减系数;K_Q4为尺寸影响系数;γ_R为抗力分项系数, 顺纹受拉取值为1.95, 顺纹受弯取值为1.60, 顺纹受压取值为1.45, 顺纹抗剪取值1.50。

　　 胶合竹强度设计值f_d在试验数据与概率计算所获得的标准值f_k的基础上, 还应考虑以下几个方面的因素:1) 该设计值f_d在规定作用组合的效应S_d作用下, 代入相应的抵抗力方程R_d=R (f_d, a_d) 后, R-S≥0的概率在{β}以上, 其中β为目标可靠度;a_d为几何参数设计值, 一般取实测值;S为结构的作用效应。2) 考虑建筑材料的实际使用环境与获得其小清样试件强度的标准值f_k的实验室环境的差异而引起的强度折减。对竹木材料而言, 需要考虑的因素主要是材料的天然缺陷, 相对含水率^[12] (实验室相对湿度为65%±3%, 温度为20℃±2℃) , 加载时间与尺寸差异。而这些影响因素, 通过系数K_Qi (i=1, 2, 3, 4) 给予考虑。3) 尺寸误差影响系数以K_A表示。值得注意的是, 此处的尺寸误差与2) 所述的尺寸差异是不同的概念, 前者描述的是实验室小试件与足尺试件之间的尺寸效应, 而后者指的是足尺试件本身的构造误差。4) 除此以外, 抗力方程R_d=R (f_d, α_d) 与以上各个系数自身的不确定性, 还可通过方程精确性影响系数K_p给予考虑。

　　 综上所述, 考虑到胶合竹材本质上是一种重组胶合材料, 与胶合木类似, 故按照《胶合木结构技术规范》 (GB/T 50708—2012) ^[16] (附录D中构件足尺试验确定胶合木强度等级, 条文D.0.2) 与《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) ^[17]的相关规定, 目前可偏于保守地按TC17A (TC17为针叶树种木材强度等级, A为分组) 对格鲁斑胶合竹材进行强度设计值的取值。后续在针对工程胶合竹材使用环境及时间对其材料设计值影响的研究完备后, 可进一步给出胶合竹材更为科学、经济的设计值。

　　 笔者课题组目前研究了一系列格鲁斑胶合竹结构的结构体系, 包括装配式轻型胶合竹结构框架房屋^[18]、装配式胶合竹结构板房^[19]、框架房屋和厂房、胶合竹结构桥梁^[20,21]、桁架^[22,23]等。图4给出了一些示范的案例照片。

　　 与传统竹结构不同, 胶合竹结构大量使用工厂规格化的竹基材料, 减小了圆竹材料的离散性和随机性, 确保了材料质量的稳定性, 可以满足不同工程实践的需要。

　　 如图5所示, 笔者课题组还针对胶合竹与其他传统材料的组合结构体系进行了研究, 包括胶合竹覆面轻钢骨架剪力墙^[24]、胶合竹混凝土组合梁板体系^[25]、钢竹组合屋架及网架^[22,26]。

　　 为了使竹材能够更为广泛地应用于现代建筑, 有必要建立相关技术规程。关于圆竹, 国际标准化组织ISO于2004年出版了相关标准^[8], 而国际上最早将圆竹结构纳入国家规范的是南美洲的哥伦比亚^[27]。笔者的研究团队提出了胶合竹装配式板房相关设计和施工建议^[19]。目前国际竹藤组织正在着手建立一个有关工程竹的设计规程。

　　 笔者认为一些竹结构构件的设计可以纳入到现有的木结构设计体系中, 这样可以反映我国的竹木结构特色。现阶段, 笔者认为轻型剪力墙体系已经比较成熟, 因此建议将有关轻型木骨架竹覆面板剪力墙及轻型胶合竹结构剪力墙的设计条款纳入《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) 。

　　 轻型框架剪力墙墙体合理借鉴了北美轻型木结构墙体的构造, 是轻型竹木结构的主要抗侧力构件, 主要由四部分组成:墙体骨架、覆面板、面板-骨架连接件以及墙角抗倾覆锚固构件。墙体骨架由顶梁板、底梁板和墙骨柱组成, 墙体材料可以采用规格材或胶合竹材, 其中墙骨柱间距一般为400mm, 顶 (底) 梁板与骨柱之间采用钉连接。覆面板采用胶合竹板。面板-骨架连接件是影响轻型墙体性能的重要因素, 一般采用钉连接, 其中钉直径和钉间距还需满足剪力墙的要求。墙角抗倾覆锚固构件可以传递剪力并限制墙体在侧向力作用下的翻转。图6给出了此类墙体的主要结构组成及其构造方式。

　　 目前国内外研究一般认为墙体覆面板与骨架之间的钉连接件的承载力确定了墙体的抗侧向能力, 故剪力墙的抗剪承载力设计值计算公式可表述为:

　　 式中:f_vd为采用结构板材作为覆面板的剪力墙的抗剪强度设计值, k N/m, 其中采用木基材料的覆面板与骨架的设计值见表2;f_dw为剪力墙抗剪承载力设计值, k N/m;l为平行于荷载方向的剪力墙墙肢长度, m;k₁为木基结构板材含水率调整系数^[14];k₂为骨架构件材料树种的调整系数^[14];k₃为强度调整系数, 仅用于无横撑水平铺板的剪力墙^[14]。

　　 采用竹基材料作为覆面板或骨架材, 在获知其单个面板-骨架钉连接件承载力设计值的基础上, 竹结构可以参数木结构的公式及系数进行计算, 即式 (3) 和式 (4) 。同时研究表明, 按既有木基材料的相关数据进行设计是偏于保守的。

　　 经过十几年的研究与工程实践, 现代竹结构已经取得了较为丰富的研究积累, 具备了形成规范化和工业化推广的条件。本文总结了格鲁斑胶合竹的制作工艺及其材料性质, 重点介绍了其结构体系运用, 并对下一步胶合竹的设计规程进展进行了简介。

　　 在这些工作的基础上, 笔者认为:格鲁斑胶合竹是具备工业化前景的竹基建材, 具备替代欧美工业化木基建材格鲁斑的潜力。今后业界应在前期工程实践与科学研究基础上, 形成设计规程, 并梳理其上下游产业链, 优化结构构件加工与冷压工艺, 提升产业的自动化、工业化与装配化水平, 扎实有序地在现代工程领域推广这一具备中国特色与中国产业基础的绿色建材。