工程竹材力學性能和節點連接性能研究進展

馮涯欽，王 雪,2，余肖紅,2*

(1.浙江農林大學 化學與材料工程學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省木材科學與技術重點實驗室，浙江 杭州 311300)

20世紀80年代，經過不斷自主創新和技術引進我國出現了膠合竹技術，這種工藝是將原竹制成基本單元后壓制膠合成竹板。之后在21世紀初，我國竹產業高速發展，汶川地震后為解決建筑抗震性能差、資源浪費嚴重等問題，首次提出使用竹材進行標準化、裝配式設計建造以完成住宅災后重建和改造工作[1]。2021年我國發布工程竹材相關標準，對工程竹材進行明確的定義，即工程竹是以竹片或竹束為單元膠合而成，具有明確工程力學參數，滿足工程設計的強度、剛度和耐久性要求的竹基復合材料[2-3]，其分類主要為竹集成材和重組竹。工程竹材具有高強度、高耐候性、高尺寸穩定性、強耐腐性等特點，應用于建筑、家具、運輸等領域，是木材的有效補充和替代。在“以竹勝木”“以竹代鋼”理念帶動下，我國大批研究者對這種新型竹材進行研究，開發出各種附加值高于木材的新產品[4]，這在一定程度上可以解決我國木材資源短缺的問題[5]，有利于全面實現綠色低碳可持續發展，雙碳目標的提出也將進一步加快工程竹材的發展進程與應用[6]。

節點連接性能是現代竹木結構質量與安全的重要保障，工程竹材常用的節點連接方式有齒板連接、螺栓連接、金屬套筒連接等。目前對工程竹材的節點連接設計還沒有形成統一的理論體系和設計標準，國內外研究者對其進行設計計算主要參考現有的木結構設計規范，并根據工程竹材的材料系數進行相應的修正[7]。雖然工程竹材和木材有一定的相似性，但是其在結構、性能上仍具有很大的差別，這在一定程度上限制了工程竹材的推廣應用。

該文針對國內外工程竹材基本力學性能和節點連接性能研究現狀，闡述工程竹材作為結構構件時在受拉、受彎和受剪3種基本受力形式下的力學行為和增強極限承載力的方法措施，綜述工程竹材節點連接的幾種典型形式及其不同因素對承載力和破壞模式的影響規律，以期為工程竹材的進一步應用提供理論和方法依據。

1 工程竹材力學性能研究

1.1 抗壓性能

工程竹材作為結構構件時，基本的受力形式有柱的受壓和梁的彎曲、受剪。柱構件作為建筑中基本的受壓構件，其力學性能主要受材料本身的性能、柱的截面形式以及長細比等因素影響，破壞模式主要分為強度破壞和失穩破壞。

呂清芬等人[8]研究發現重組竹柱具有強大的彈性恢復能力，可以在地震中維持良好的延性，且存在較小的震后殘余變形，是一種優質的工程材料。一些學者對工程竹材柱構件就不同截面形式[9-11]、碳化與非碳化以及短期與長期受壓[12-13]因素展開了試驗研究，結果發現實心柱極限承載力略高于空心柱與工字柱(如圖1)，約1.09～1.52倍，相差并不大，空心與工字結構既能滿足承載力要求，又能減少材料使用，減輕重量，但是由于受壓時容易在連接處發生膠層破壞，因此需要對其節點連接方式進行進一步研究[9-11]，如鋼—竹組合型空心柱；重組竹經碳化后其受壓破壞形態呈現為明顯的脆性破壞，因此并不適合作為結構構件使用[12]；柱構件在長期受壓情況下發生蠕變，經歷瞬態和穩態蠕變階段，當柱壓比不大于0.5時柱變形隨時間增長基本保持穩定[12-13]。肖巖等[14]、李海濤等[15]、方佳偉[16]、謝亞孜等[17]發現隨著長細比的增大，膠合竹柱受壓時的破壞形式從端部壓潰或膠合面開裂的強度破壞轉變為中部受拉側位移過大而導致的失穩破壞(如圖2)，承載力逐漸下降，同時證明現有的國內外木結構設計規范對膠合竹柱承載力計算的不適用性。而在實際應用中柱子作為結構構件往往處于偏心受壓狀態，李海濤等[18]、魏洋等[19]對不同偏心距的工程竹材柱進行壓彎試驗，結果表明柱身跨中受拉側纖維斷裂，隨著偏心距的增大，承載力減小，豎向位移和跨中側向撓度均有所增大，并提出以偏心距為影響因素的極限承載力計算公式。在此基礎上，茅鳴等[20]對可增強整體承載性能的鋼竹組合柱展開偏心受壓試驗，發現偏心距對力學性能影響較大，長細比有一定影響但無明顯規律。

圖1 不同截面形式工程竹柱構件[10](單位：mm)Fig.1 Engineered bamboo column components with different cross sections

總的來說，由于目前工程竹結構的相關規范標準較少，工程竹材與木材雖有一定的相似性，但在宏觀和微觀構造上均存在本質的差異。因此，需要對工程竹材進行進一步研究，盡快制定符合工程竹結構的相關規范標準，從而指導其工程設計和應用。

1.2 抗彎性能

Sinha等[21]對竹集成材梁和膠合竹梁進行了基本力學性能試驗，并與常用木材進行對比，試驗結果表明其靜曲強度為花旗松的4.7～6.6倍，而彈性模量接近，證明其完全適用于輕型框架結構，作為結構材料具有良好的應用前景；周軍文等[22-23]發現剪跨比對受彎承載力影響不大，并證明有限元模擬的可行性；李海濤等[24-25]基于尺寸效應，對不同寬度竹集成材梁進行了抗彎性能試驗研究，依據線性關系對3種失效模式提出極限彎矩和極限彎曲撓度的計算方法，結果與試驗值吻合。而在實際工程中，建筑構件經受的都是長期荷載，在此基礎上，一些學者對工程竹材長期抗彎性能進行研究。陳伯望等[26]對碳化和非碳化重組竹梁在長期荷載作用下的抗彎性能及蠕變規律進行對比研究，結果表明碳化使其在長期荷載下撓度減小，在30%極限承載力作用下更為穩定；袁平等[27]研究發現竹集成材梁在實際長期荷載應用中可能由于高應力水平而導致蠕變破壞，建議在正常使用情況下的荷載取極限承載力的45%。

針對受彎構件易發生纖維拉斷，難以滿足大跨度要求的問題，一些學者提出增強極限承載力、剛度的措施。魏洋等[28]提出鋼筋重組竹復合梁的概念；周愛萍等[29]、周軍文等[30]提出了一種新型碳纖維加固重組竹梁的方法；柳紅等[31]認為可以使用竹集成材加固單板層積材梁以此提高整體承載力；冷予冰等[32]對花旗松膠合木梁、膠合竹梁、重組竹梁和膠合竹木梁4種足尺梁的抗彎性能進行對比試驗，提出可以通過工程竹材與速生木材的復合來增強梁的抗彎性能、強度和變形能力；2021年上?；ú裉兖^采用新型竹鋼材料，在重組竹的基礎上，該材料經技術處理在制造時不去芯去黃，具有更高的強度。

圖3 工程竹與其他材料復合Fig.3 Composite of engineered bamboo and other materials

1.3 抗剪性能

國內外學者對工程竹材的抗彎及抗壓等力學性能研究較多，但對工程竹材梁抗剪性能研究相對較少。受剪承載力主要與剪跨比、材料的剪切強度、截面尺寸、梁的跨高比、荷載模式等有關。Mujiman等[33]將矩形竹片和曲邊竹片膠合竹梁進行抗剪對比試驗，結果發現曲邊狀梁的承載力、剛度及延性更優。李冉等[34]證明增加翼緣和腹板處竹膠板厚度、減小剪跨比可提高組合梁的受剪承載力。鄧謀韜等[35]進行不同剪跨比竹集成材梁彎曲試驗，發現剪跨比超過1.5時，從層間剪切破壞轉變為彎曲破壞，彎剪破壞的界限剪跨比與梁的跨高比有關。

總的來說，目前工程竹材力學性能研究中關于如何提高承載能力，主要基于2個方面，一是通過對承載力影響因素的研究；二是通過對材料的重組，主要為與木材的復合、與金屬材料的復合以及纖維增強等措施。從已查閱的文獻來看，關于工程竹材在短期受壓、受剪和受彎性能研究成果較多，但是關于長期荷載的研究相對較少，工程竹材在實際應用中，經長期受力后往往容易出現裂縫、整體破壞失效等問題，對于如何模擬長期受力的實際情況，選取合適的荷載設計值，探究工程竹材材料本身的蠕變、構件的蠕變、工程竹材與其他材料復合的蠕變對工程竹材的進一步推廣應用具有不可忽視的意義。

2 工程竹材節點連接性能

2.1 齒板連接

目前，齒板主要應用于桁架結構的節點連接和桿件的接長[36]。在實際工程中，齒板連接的木桁架已廣泛地用于各類建筑，而工程竹桁架中則更多使用鋼板和螺栓連接結合的形式，對于齒板連接的研究較少報道。肖巖教授團隊一直致力于工程竹材的研究，特別是對連接節點破壞形式機理(圖4)、承載力影響因素、強度試驗等研究。其中，伍金梅等[37]通過拉伸試驗得到金屬齒板應用于膠合竹時的板齒極限強度，該數值與木材接近，證明了齒板連接在現代竹結構設計中的適用性。在此基礎上，彭琦等[38]通過改變荷載與主纖維方向、齒板與主軸方向夾角進一步研究其對齒板連接節點的板齒強度影響。有學者對齒板增加與螺栓連接相結合的形式進行研究，宋蕾蕾等[39]研究發現齒板增強螺栓連接試件可以明顯減少橫紋劈裂破壞、降低群栓效應，提高極限荷載和延性系數，使得木材和螺栓的材料受力性能得到充分地發揮。

圖4 齒板連接破壞形式[38]Fig.4 Failure mode of tooth plate connection

2.2 螺栓連接

螺栓連接作為現代竹木結構中十分重要的節點連接方式，具有易于加工運輸、安裝簡便且連接性能良好等優勢[40]，主要有普通螺栓連接(無鋼板)、鋼填板螺栓連接以及鋼夾板螺栓連接3種形式。

馮立等[41]對4群和6群螺栓進行膠合竹梁柱式螺栓節點性能研究，經單調和循環往復加載，結果表明節點的破壞是由主材撕裂引起，螺桿受力不均，中部螺桿受力較小也具有抗震耗能的作用。浙江農林大學[42-43]余肖紅教授團隊對無約束重組竹單螺栓連接單側抗剪屈服和斷裂模型進行深入探討，并推導出包括應力集中系數在內的承載力估算公式。

工程竹材力學性能強、具有高尺寸穩定性，但硬度大、加工性能差，榫卯結構等傳統木結構節點構造方式難以應用，因此鋼夾板和鋼填板螺栓連接成為工程竹結構的有效連接方式[44]。國內外學者對工程竹材鋼填板、鋼夾板螺栓連接節點的承載力影響因素和承載力計算進行了深入研究。不同于美國規范，歐洲規范將雙剪連接分為鋼填板連接和薄、厚2種鋼板鋼夾板連接，其破壞模式一般有I型、III型和IV型(圖5)。周愛萍等[44]進行重組竹鋼填板螺栓連接的受拉試驗，發現端距在大于7 d時對承載力的影響幾乎可以忽略，同時將試驗結果與中美木結構規范計算公式進行對比，均偏保守，存在較大誤差?；莶獫齕45]、王辰熙[46]研究膠合竹鋼填板螺栓節點連接，分別對橫紋和順紋方向承載力計算方法及設計提出了可靠的建議。崔兆彥等[47]對單螺栓和多螺栓鋼夾板連接進行試驗研究，以厚徑比、螺栓數量及排列方式、間距和端距作為影響因素，發現單列螺栓延性更好，驗證了中歐規范對其承載力計算的相對適用性。王辰熙[46]、孫平[48]運用有限元模擬螺栓連接的承載性能及其應力分布，結果顯示模擬得到的極限承載力數值與實際接近，但屈服荷載偏大。李霞鎮等[49-51]進行重組竹鋼夾板螺栓連接受壓試驗研究，基于螺栓直徑、端距及厚徑比等影響因素，揭示了節點承載特性和破壞形態，同時驗證了中國2017年木結構設計規范預測其承載能力的適用性。陳愛軍等[52]發現采用鋼夾板螺栓連接方式在長度方向上可使梁增長，螺栓順紋間距對梁的抗彎性能影響顯著，承載力隨螺栓順紋間距增大而提高，在合理區間內可以通過增加端距和直徑、鋼夾板和主材厚度來提高承載力，同時證明有限元數值模擬方法的適用性。

圖5 螺栓連接典型破壞模式[46]Fig.5 Typical failure mode of bolted connection

總的來說，目前國內外研究者對影響工程竹材螺栓連接承載力的因素進行了大量研究，如構件厚徑比、螺栓直徑、端距邊距、加載方式、含水率等，現有研究中依據木結構規范得到的承載力計算值雖然具有一定程度上的適用性，但是均與試驗值存在較大誤差。其中，歐洲規范和美國規范都偏保守，因為美國木結構規范選用容許應力設計法，所以安全系數偏高；而歐洲規范考慮的節點需要經過較大的彎曲變形，才能使螺桿產生顯著拉力及側向力方向的分量，在鋼夾板、鋼填板螺栓連接中鋼板形變量較小，因此這并不適用于工程竹材鋼夾板、鋼填板螺栓連接的承載力計算[51]。根據以上文獻[44-51](表1)，依據各國規范計算得到的承載力理論值與實際試驗值的誤差大小表現為：美國規范>2003年木結構設計規范>2003年木結構設計手冊>歐洲規范>加拿大規范>2017年中國木結構規范。我國木結構規范2017年和2003年相比，選用銷槽承壓強度以替換木材順紋抗壓強度，具有更強的適用性。雖然木材和工程竹材有一定的相似性，但是其在結構、性能上仍具有很大的差別，因此需要對節點結構連接進行更深入地理論研究，得到適用于工程竹材節點承載力的計算方法，建立符合工程竹結構的相關規范和統一的標準計算方法，從而推動工程竹材在戶內外的進一步應用。

表1 工程竹材螺栓連接破壞形式與理論承載力計算比較Tab.1 Comparison of failure modes and theoretical bearing capacity of engineered bamboo bolted connections

2.3 金屬套筒連接

圓竹構件采用鋼絲繩索綁扎、榫接等傳統連接方式往往存在節點處強度減小、易劈裂和折斷等缺陷，于是便出現金屬套筒節點連接方式以應用于現代竹結構中，而圓竹的尺寸一般無法統一，連接件難以實現批量生產[7]。工程竹材的出現解決了這一問題，完全適用這類裝配式連接方式。

參考輕型木結構節點連接性能，國內外學者對有無外鋼板、鋼板厚度、螺栓數量、螺栓強度等參數對承載力、節點轉動剛度、延性系數、抗震性能、耗能系數的影響進行了大量研究。李玉順等[53-54]對T型鋼—竹組合梁柱節點進行擬靜力試驗和地震作用下的有限元分析，結果均表明螺栓數量和螺栓強度無明顯影響，而翼緣板厚加勁肋對增強節點的剛度、極限承載力影響顯著。伍悉嘉[55]運用有限元分析發現增加勁肋和套管可以提高膠合竹梁柱的承載性能和節點穩定性，勁肋高度對其影響不大，而套管長度、套管和勁肋厚度影響較大，且厚度不宜小于12 mm。冷予冰[56]對鋼填板螺栓節點和外包鋼板螺栓節點2種工程竹梁柱節點進行單調加載對比試驗，試驗結果表明使用外包鋼板有利于增強節點的抗側性能。

圖6 增設脛肋[54]Fig.6 Use outer steel plate

圖7 使用外包鋼板[56]Fig.7 Add tibia rib

以上節點連接方式解決了梁柱連接問題，在此基礎上，周軍文等[57-58]設計1種新型裝配式框架節點，同時解決梁柱和柱柱連接問題，研究單調和循環荷載下鋼板厚度對重組竹梁柱連接節點受力性能的影響，結果表明可以通過增加鋼板厚度來提高節點處的剛度和極限承載力，但是會導致地震作用下耗能系數的減小。

圖8 梁柱和柱柱連接組合[58]Fig.8 Beam-column and column-column connection combination

3 結論與展望

綜上所述，國內外對于工程竹材力學性能和節點連接性能的研究都在逐步深入，筆者認為以下方面需要進一步研究：

在力學性能研究上，工程竹材作為戶內外用材及結構建材具有優越性，力學性能強，具有高耐候性、高尺寸穩定性以及強耐腐性等優點。在實際工程應用中多為大尺寸構件，隨著構件尺寸的增大，自然環境對工程竹材的腐朽和力學性能的影響也會越大，其影響機理尚不明確，需要進一步研究；同時，目前主要仍基于短期試驗，無法模擬真實情況，需要對經受長期荷載時工程竹材的力學性能變化規律做出進一步探討。

在節點連接性能研究上，節點連接性能作為現代竹木結構質量與安全的重要保障，節點處接合強度不足會導致整體結構的破壞。因此對工程竹材的連接方式進行更系統地研究具有必要性，需要總結出適合不同結構形式的工程竹材節點連接方式及配合參數；由于缺乏工程竹材相關標準規范，試驗方法以及承載力計算仍依據國內外木結構相關規范，需要加快制定符合工程竹結構的系統的規范標準；規?；墓こ讨癫纳a企業目前還沒有形成，工程竹材的應用主要為示范性案例，缺乏社會認可度以及材料價格高等問題亟待解決。