广东省梅州市蕉岭县兴业建设工程有限公司
摘要：通过对比分析竹帘胶合板、竹材层积材、竹材重组材等现代竹质工程材料的工艺及基本性能，指出每种材料在建筑结构构件中的应用选择，结合现代竹结构安居示范房的设计与建造实例，分析竹结构的应用前景与优势。竹结构在设计与建造方面都具有非常好的灵活性，具有出色的抗震性能，其最大优势在于绿色、低碳、节能、减排，竹质工程材料能够达到现代结构工程的要求，使得竹结构的大规模推广应用成为可能。
关键词：竹结构；竹质工程材料；重组竹；竹材层积材；竹帘胶合板
引言：
目前，我国部分建筑结构采用砖混结构和钢筋混凝土结构体系，但要使用大量的粘土制品、水泥和钢材，其材料能耗高、污染大，废弃后难以降解，在当前发展低碳经济的大环境下，绿色、生态、环保、低碳的新型建筑结构材料是土木工程科技发展的必然方向。随着我国经济发展，传统的木结构作为典型的绿色建筑结构又逐渐进入了人们的视线，但是我国森林资源匮乏，木材再生周期长，木结构应用受到了严重限制。“以竹代木”，利用现代复合、重组技术制作的竹质工程材料建造的工程结构，具有与木结构类似的优越性能，其在生态性、保温节能性、抗震性及施工与工业化方面具有突出的优点。
本文在对相关竹质工程材料的工艺与基本性能进行阐述的基础上，对现代竹质工程材料在建筑结构中的应用前景进行了展望。
正文
1 现代竹质工程材料的工艺与基本性能
目前，我国针对竹材的研究主要集中于竹材制造工艺、竹木重组及竹塑复合等领域，先后开发了竹编胶合板、竹材集成材、竹材层积材、竹材重组材、竹材复合板等多种竹质工程材料和装饰材料，产品品种已系列化和标准化，在竹材产品开发与应用方面走在世界前列。
竹材与木材相比在建筑方面的特性毫不逊色，竹材本身的抗拉强度及弯曲强度可达150 MPa左右，抗压强度可达60~70 MPa，弯曲弹性模量达10 GPa以上。可见，竹材的力学性能优于普通木材，而且竹材有较好的弹性与韧性。现代竹质工程材料的产品形式已十分丰富与成熟，可用于建筑结构构件的竹材产品有竹材胶合板、竹材层积材、竹材重组材等。
1.1 竹帘胶合板
竹帘胶合板是将竹剖成厚1~2 mm、宽10~15 mm左右的竹篾，用细棉线、麻线或尼龙线将其连成竹帘，经干燥、涂胶或浸胶，以纵横交错的竹帘组坯，通过浸胶热压而成的结构材料。
由于竹帘胶合板的结构特点，其作为建筑结构材料可应用于楼、地面及墙体结构材料。图1为竹帘胶合板及其力学性能试验情况，通过5个1 200mm×600mm×16 mm双跨连续板的集中加载试验表明，竹帘胶合板的强度高，承载能力强，在整个加载过程中，荷载与位移关系基本呈线性变化（图1），荷载-位移曲线本身未表现出其塑性发展过程，由于在破坏前，其加载点位移已非常大，整个板面下凹，其破坏形态主要是加载点附近板底出现的纵向裂缝，部分纤维横向断裂（图2），在纵向裂缝出现与发展过程中，承载能力可继续提高，整个破坏过程经历时间长，纤维的部分断裂并不引起承载力下降，可认为是一种延性破坏。由于其承载力高，破坏历程长，破坏发生时挠度大，因此，竹帘胶合板在楼、地面的应用设计中，都是正常使用极限状态控制结构设计（挠度限值）。
1.2 竹材层积材
竹材层积材是用一定规格的竹篾，经干燥、浸胶、干燥、组坯、热压固化而成的一种人造竹材板，又称竹材层压板。
目前，根据市场上现有设备能力，竹材层积材的压制厚度一般在40 mm以下，宽度和长度不限，当其用于梁时，截面可旋转90°使用，梁高不受限制，梁宽可通过多层二次施胶组合实现较大尺寸。图3为竹材层积材梁构件的力学性能试验情况，通过10根30 mm×100 mm×2000 mm的简支梁弯曲试验表明，在竹梁压制不密实时，会发生梁顶部竹篾层间受压屈曲破坏，承载力较低，对于一般竹材层积材梁构件，通常发生底部纤维分层逐渐拉断（弯曲应力引起）和底部纤维斜向撕裂（剪应力引起）的破坏模式。
（a）分层、屈曲破坏；（b）竹纤维底部分层拉断
图4为竹材层积材梁构件的典型荷载-位移关系曲线，竹材层积材梁在整个加载过程中，大部分区段都处于近似弹性工作阶段，只有接近最大荷载部位，才出现平缓段，进入近似完全塑性阶段。破坏时，梁的实际挠度大，弯曲变形明显。因此，竹梁允许承受的荷载设计值实际是由截面刚度控制，根据试验结果按弹性理论计算，相应弯曲抗拉强度平均为60.7 MPa，按挠度限值（L/250）［5］验算的极限承载力大约是按强度验算极限承载力的1/5，在变形验算时，其弯曲弹性模量取10GPa，具有95%的保证率。由于竹材层积材尺寸范围较大，力学性能较好，用于建筑结构构件可作为梁、柱、承重墙体、单向板等，尤其是跨度较大的梁构件，其他竹质工程材料目前无法做到。
1.3 重组竹
重组竹又称重竹，是一种将竹材重新组织并加以强化成型的新型竹质工程材料。重组竹充分利用了竹材纤维材料固有特性，对竹材的利用率可达90%以上，由于在纤维层次上对竹材进行重组，力学性能稳定，离散性小，强度高，如果对竹材纤维进行浸药等预处理，可使重组竹具备优良的防腐性能、防火性能和防虫性能。
目前，重组竹热压成型是一块约1 860 mm×1 260mm×35mm大小的板材，冷压成型规格为1 860mm×105mm×165mm，也有其他不同规格，但尺寸差别不大。由于重组竹良好的物理特性，故广泛应用于高档地板、家具制作领域，尤其是室内地板，多数出口至欧美市场。图5给出了重组竹柱、梁的部分试验结果，根据6个100mm×100 mm×600 mm的重组竹短柱试验表明见图5（a），竹柱受压时，在60%~70%极限荷载以下，材料处于弹性工作阶段，在弹性极限点后，应力-应变曲线呈非线性变化，在达到极限强度时，应变发展较快，荷载基本不再增加，随后，由于初始缺陷或加工偏差等原因，受压柱朝某一方向弯曲，荷载开始下降，其应力-应变曲线的卸载曲线表明，卸载后试件的残余应变在20%左右，并在随后的时间里继续恢复，恢复能力远超过普通钢材，证实了竹材优良的弹性与韧性，重组竹短柱的平均抗压强度达61.3 MPa，弹性模量在10 GPa以上，离散性小，力学性能稳定。对105mm×160mm×1870mm的重组竹简支梁进行抗弯试验，其L/4和跨中处位移随荷载的变化曲线如图5（b）所示，其荷载-位移关系
曲线与竹材层积材梁相似，破坏为底部竹纤维受拉断裂破坏，断裂瞬间发生，随后，在裂缝顶部水平方向竹材发生剥离式撕裂破坏，承载力急剧下降，相应弯曲抗拉强度达90.4 MPa，较竹材层积材梁高49%，由截面刚度推算的材料弹性模量与竹材层积材梁相近，对应挠度限值（L/250）的荷载值为极限荷载的23.4%，与竹材层积材梁试验结果相似。综上所述，重组竹梁较竹材层积材梁除在强度方面有较大提高之外，其他性能相近或相似。
（a）
（a）短柱受压应力-应变曲线；（b）重组竹梁的荷载-位移关系曲线
根据重组竹柱、梁试件的试验结果，重组竹力学性能稳定，强度高，弹性模量与其他竹质工程材料区别不大，是重要承重构件的理想材料，尤其是结构柱，而对于梁构件，由于挠度限值控制设计，其相对于竹材层积材的优势并不明显。
2 现代竹质工程材料应用及其前景分析
以现代竹质工程材料为主要结构构件，南京林业大学等有关单位进行了竹结构安居示范房的设计与建造研究，成功完成了1幢两层的独立式住宅建筑。该工程平面布置为9.2m×11.5m，整体结构以梁柱结构体系为主，同时，兼用搁栅-墙骨柱构成多约束、多传力路径的受力体系。现代竹质工程材料的竹结构应用实践表明，竹结构建筑的结构体系可借鉴传统木结构，采用梁柱结构体系，利用金属节点形式，实现竹结构的快速装配施工，竹结构具有施工速度快，构件、节点易标准化，易工业化生产的优点。
竹结构体系的建筑形式和使用功能与木结构体系相近，木结构在全球林业资源发达、并提倡建筑节能环保的地区已相当盛行，发展也相当成熟。在美国、加拿大等北美地区以及对环保要求极高的日本，木结构占有相当高的比例，而在气候寒冷的北欧，木结构房屋也是主要的建筑形式；木结构在我国的应用尚处于发展阶段，竹生长周期短，竹结构的研究与开发对缓解我国木材供需矛盾，具有长远意义。竹材具有较高的强重比，可达钢材的3~6倍，远胜于混凝土等材料，竹结构比其他类型的结构重量轻；竹材变形能力强，同时又具有很好的弹性与韧性，在经历较大荷载后的恢复能力强，残余变形小。因此，竹结构具有非常好的抗震能力。
竹结构建筑的设计和建造灵活，可快速建造与拆除，对工程技术人员要求低，尤其适合村镇住宅等建筑结构领域，现代竹质工程材料能够达到现代结构工程的要求，使得竹结构的大规模推广应用成为可能。
（b）
图5 重组竹柱、梁试件试验结果
3 结语
本文对现代竹质工程材料的工艺及基本性能结合已有的研究成果进行逐一阐述，主要包括竹帘胶合板、竹材层积材、竹材重组材等，并针对各类材料的特点进行对比分析，指出每种材料在建筑结构构件中的应用选择，最后，在现代竹结构安居示范房的设计与建造实例的基础上，分析了竹结构的应用前景与优势，可得出以下结论。
（1）竹帘胶合板的强度高、承载能力强、破坏历程长，破坏模式可认为是延性破坏。由于竹帘胶合板的结构特点，其作为建筑结构材料可应用于楼、地面及墙体结构材料，在楼、地面的应用设计中，正常使用极限状态控制结构设计。
（2）竹材层积材通常发生底部纤维分层逐渐拉断和底部纤维斜向撕裂的破坏模式，其允许承受的设计荷载由截面刚度控制，按挠度限值（L/250）验算的极限承载力约是按强度验算极限承载力的1/5。由于其尺寸范围较大，力学性能较好，用于建筑结构构件可作为梁、柱、承重墙体、单向板等构件，尤其是跨度较大的梁构件。
（3）重组竹力学性能稳定、离散性小、强度高，作为竹柱受压时，在60%~70%极限荷载以下，材料处于弹性工作阶段，在弹性极限点之后，应力-应变曲线呈非线性变化，作为竹梁受弯时发生底部竹纤维受拉断裂破坏，其抗弯强度较竹材层积材梁提高49%，但截面刚度与同截面竹材层积材梁相近。考虑性能与造价的关系，是重要承重构件结构柱的理想选择，但对于梁构件，由于挠度限值控制设计，其相对于竹材层积材的优势并不明显。
（4）基于现代竹质工程材料的竹结构应用实践表明，竹结构在设计与建造方面都具有非常好的灵活性及抗震性能，完全可替代木结构在建筑领域的应用，竹结构最大的优势在于绿色、低碳、节能、减排，是土木工程结构领域的材料与结构创新。
参考文献：
［1］魏洋，蒋身学，吕清芳，等.新型竹梁抗弯性能试验研究［J］.建筑结构，2010，40（1）：88-91.
［2］吕清芳，魏洋，张齐生，等.新型竹质工程材料抗震房屋基本构件力学性能试验研究［J］.建材技术与应用，2008（11）：1-5.
［3］张齐生.中国竹材工业化利用［M］.北京：中国林业出版社，1995.
［4］孙正军，程强，江泽慧.竹质工程材料的制造方法与性能［J］.复合材料学报，2008，24（1）：80-83.
［5］GB 50005-2003，木结构设计规范［S］.
论文作者:丘仙洪
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/6
标签：竹材论文; 层积论文; 结构论文; 材料论文; 荷载论文; 构件论文; 竹帘论文; 《基层建设》2016年6期论文;