竹筋组合空心板制作与力学试验研究

谢兴华，陈 强，包燕敏，沈 搏，杨 凌

(湖南城市学院 土木工程国家级试验教学示范中心，湖南 益阳 413000)

1 竹板材的研究与发展现状

竹材的抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度约为木材的1.5倍，竹材的比强度高于木材和普通钢材[1]。因此，竹材不仅有代替一部分木材产品资源的基础，还有着足以代替木材的力学性能。

在目前市场上，较成熟的竹材改性产品以竹材人造板为主，其厚度一般为2 cm左右，无法直接跨越较大跨度或作为竖向承重构件，而目前生产较厚的竹板材仍受到生产工艺上的限制，并且实心截面构件不利于充分发挥竹材较高的强度。由此研究一种竹筋组合空心板是非常必要的。

在竹板材的研究中，倪林[2]研究了环氧树脂、间苯二酚胶粘剂、酚醛树脂对竹层板的胶合性能的影响;引入胶接界面应力模型,分析了胶接界面的应力、应变分布;研究了温度和水分对胶接性能的影响。关明杰等[3]对比了杨木重组木和毛竹重组竹的抗弯弹性模量和静曲强度，研究了强度、弹性模量与密度的相关性，探索了竹木结合制成的竹木重组材作为结构用材的可行性。赵章荣等[4]研究了搭接胶合竹片的胶合能力及碳化处理和未经碳化处理竹片抗拉能力，实验结果表明经过碳化处理竹片胶结能力比未经过碳化有所提高。郎健珂等[5]为解决木材利用率低、成本高的问题,提出了一种以零碎短木粘结竹集成而成的竹-短木组合梁。实验结果表明竹-短木组合梁替代木梁,在小跨度木结构工程中具有应用价值。肖波等[6]将原生态的竹筋板与木方(板)通过竹筋板-木方(板)-竹筋板的方式组合拼接制作了一种竹木组合板，试验表明在小变形阶段,竹筋实木组合板挠度、应变随荷载的增长成线性变化,且应变符合平截面假定。

1.1 试验材料

1)竹筋板、竹筋条:购自湖南益阳桃花江竹业有限公司，尺寸为长2 200 mm×宽600 mm，厚度为4 mm。竹筋条尺寸为长2 200 mm×宽20 mm，厚度为4 mm，含水率均在12%左右。

2)粘结材料：双组分水基粘合剂，胶与固化剂的比例为20∶1。

1.2 试验竹板结构

竹筋组合空心板的尺寸长为2 000 mm×宽600 mm，厚度为52 mm左右。主要构造为上下两块竹筋板以及中间竹筋条以网格方式搭接(见图1)。

图1 竹筋组合空心板构造图(单位：mm)

1.3 产品制作要点

1)选取优质竹筋板，并且要求竹筋板、条厚度调至0.1 mm/m以内。

2)将竹筋条切割成相应规格的竹筋条并将两端打磨平整。

3)粘结基层保持干净整洁。胶水与固化剂混合后需充分搅拌3～5 min，直至均匀。胶水调制完后，须在1～2 h内用完。涂胶应均匀，参考涂胶量200～300 g/m2，涂胶后宜晾置2～4 min后再进行加压固定。

4)在竹筋板上层铺上一排传压板，将砝码置于传压板上以确保压力均衡。砝码共计10个，每个25 kg。用尺寸为长120 mm×宽40 mm的竹筋块将侧面填堵严实。

5)将制作完成的组合板静置于干燥，温度适宜的地方养护3天。

2 试验方案

2.1 试验目的

测出竹筋组合空心板所能承受的最大荷载;1/4、3/4跨及跨中应变和扰度和1/4、3/4跨及跨中应变、挠度与荷载大小的关系;以及观察板的变形情况。

2.2 试验设备

加载设备：25 kg砝码若干个；测量设备：电阻应变片、静态；电阻应变仪、百分表、磁性表座等。

2.3 试验步骤

1)粘贴应变片以及按编号连接导线，安装设备和试件(详见图2～3)。

注：图中粗线条表示应变片

图3 加载装置及加载范围示意图(单位：cm)

2)在1/4、1/2、3/4跨对应位置安装百分表。

3)用砝码(25 kg)预加一个均布荷载，观察仪表是否正常工作，然后卸去荷载，排除故障，仪表重新归零或记录初读数。

4)正式加载试验:每级荷载为一个砝码(25 kg)，每级荷载停留 5 min 后读取荷载、1/4、3/4 及跨中挠度和应变值并做记录并观察板的变形情况。卸载,每次卸载停留 5 min 后读取荷载、1/4、3/4 及跨中挠度和应变值并作记录。

图2为应变片位置图，图3为加载装置及加载范围示意图。

3 试验数据与分析

A1板与A2板荷载-应变关系图见图4，由图4可知，竹筋组合空心板在小形变阶段，竹筋组合空心板加载过程的挠度变化曲线的斜率基本上保持不变，即挠度随跨中荷载基本成正比，则说明在小变形阶段竹筋组合空心板处于弹性阶段。卸载后竹筋组合空心板的残余变形小，由此可知竹筋组合空心板具有良好的弹性。

图4 A1板(左)与A2板(右)荷载-应变关系图

A1板与A2板跨中截面应变规律见图5，由图5可知，竹筋组合空心板跨中横截面沿高度在小变形阶段每级荷载压应变与拉应变成直线，中性轴位置不变，由此可得出竹筋组合空心板小变形阶段基本符合平截面假定。

图5 A1板(上)与A2板(下)板跨中截面应变变化规律

4 结 论

为了探索竹筋组合空心板的受力特性，本文通过竹筋组合空心板受弯性能试验，对竹筋组合空心板的荷载挠度关系、跨中截面沿高度应变变化情况进行分析。最终得到如下结论。

1)竹筋组合空心板在小变形阶段，应变与应力成正比，板处于弹性阶段，具有良好弹性。

2)竹筋组合空心板小变形阶段基本符合平截面假定。

3)竹筋组合空心板的结构提高了竹资源的利用率，其次空心结构可填充隔热材料，使其具有良好的隔热性能。

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