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《施工技術(shù)雜志》2015年第S1期

［摘要］

重組竹是一種將竹材重新組織并加以強(qiáng)化成型的竹質(zhì)復(fù)合材料，介紹了4根由重組竹制作的方形截面柱的軸心受壓試驗(yàn)研究，通過數(shù)據(jù)分析及理論計(jì)算，初步探明了方形截面重組竹柱在受壓時(shí)的承載能力及破壞形態(tài)，結(jié)果表明其破壞是桿件喪失整體穩(wěn)定性所致，并沒有出現(xiàn)強(qiáng)度破壞;試驗(yàn)所得的壓桿穩(wěn)定承載力與理論計(jì)算的臨界荷載接近，為重組竹柱應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)提供了可靠的參考價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］

特種結(jié)構(gòu);重組竹柱;軸心受壓;試驗(yàn);研究

由于重組竹保留了竹材的優(yōu)點(diǎn)，改善了竹材如竹節(jié)處抗拉強(qiáng)度低等缺陷，近幾年逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。目前對重組竹的研究大多集中在其加工和基本力學(xué)性能方面，關(guān)于重組竹作為建筑結(jié)構(gòu)柱的研究還比較少。目前國內(nèi)還沒有重組竹結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，重組竹柱可以設(shè)計(jì)為軸心受壓構(gòu)件，但實(shí)際工程中的柱都不可避免地存在初彎曲、初偏心等缺陷，因此有必要開展一些重組竹柱軸心受壓試驗(yàn)的研究。通過本文的試驗(yàn)研究和理論分析，希望得到重組竹柱受壓時(shí)的破壞形態(tài)和穩(wěn)定承載力，說明重組竹可以作為結(jié)構(gòu)柱使用。

1試驗(yàn)研究

1.1試件設(shè)計(jì)和制作本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4根重組竹柱，試件的加工采用同一批材料，重組竹的物理特性和力學(xué)性能為:含水率8.9%，密度1.1kg/m3，彈性模量6989.4MPa，順紋抗壓強(qiáng)度80MPa。在計(jì)算中不考慮膠黏劑的老化和在使用中帶來的松弛性，并且采用同樣的施工工藝進(jìn)行加工，柱的截面尺寸為75mm×75mm，高度均為1300mm，長細(xì)比λ=60，分別記作柱1、柱2、柱3、柱4。同時(shí)制作試件時(shí)將試件的兩個(gè)端面磨平，使兩端端面盡量與試件軸線垂直，從而盡量減少由于加工制造而造成加載時(shí)的初偏心。

1.2試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案本次試驗(yàn)采用200t長柱試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜力加載，在試件的上下兩端安裝刀鉸，刀鉸的安裝保證試件截面在平行于刀鉸的軸線上轉(zhuǎn)動(dòng);刀鉸要保證接觸面盡量小，保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏，盡量減少約束。同時(shí)將刀鉸的上下表面也加工成正方形，并設(shè)置對準(zhǔn)用的十字形標(biāo)線，頂和柱底的刀鉸放置方向應(yīng)保證在任何方向柱的計(jì)算長度不變。圖1為刀鉸示意。為測定試件的應(yīng)變值，在柱的中央截面的4個(gè)側(cè)面沿豎向和橫向粘貼標(biāo)距為50mm的電阻應(yīng)變片各1對，應(yīng)變片采用BX120-50AA，電阻為(119.8±0.1)Ω，柵長×柵寬:50mm×3mm，靈敏度為(2.08±1)%;為測量試件的側(cè)向撓度，沿柱高度方向在垂直于刀鉸2個(gè)面上分別裝5個(gè)百分表;為測量柱長度方向的總壓縮變形，在靠近試件的頂部平行于刀鉸的面上用膠水粘貼1個(gè)木塊，用百分表抵住木塊。圖2為試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置示意。

1.3試驗(yàn)步驟和過程試驗(yàn)采用單調(diào)加載靜力試驗(yàn)，在正式加載前，對安裝好的試驗(yàn)柱進(jìn)行預(yù)加壓，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)，使變形和荷載的關(guān)系趨于穩(wěn)定。此次試驗(yàn)初始荷載值設(shè)定為10kN，同時(shí)檢查試驗(yàn)裝置是否可靠和所用測量儀表的工作是否正常，然后從初始荷載加載到第1級(jí)加載完成(荷載F1)，再卸載至初始荷載，反復(fù)進(jìn)行4次，F(xiàn)1值取為20kN;隨即以勻度連續(xù)逐級(jí)加載，每級(jí)荷載為△F，但考慮到重組竹柱的承載力比木柱的承載力高，為較為詳細(xì)地記錄試驗(yàn)過程中的相關(guān)參數(shù)，起始荷載分級(jí)較大，而在接近極限荷載時(shí)，采用較小分級(jí)，以便獲得最接近其穩(wěn)定臨界荷載的試驗(yàn)值，每級(jí)加載的數(shù)值為:F=10～40kN時(shí)，△F=10kN;F＞40kN時(shí);△F=5kN。每次加載至設(shè)定加載級(jí)別時(shí)，穩(wěn)定2min后記錄應(yīng)變及撓度值;并觀測刀鉸支座的轉(zhuǎn)對情況。

1.4數(shù)據(jù)記錄在整個(gè)加載過程中進(jìn)行物理對中，為保證物理對中的效果，在刀鉸的上下底板上將柱安裝的精確位置用鉛筆做標(biāo)記，以方便物理對中和柱位置的控制;同時(shí)利用磁力吊錘控制柱的垂直度，并利用吊錘檢查上下對中的效果，如出現(xiàn)偏差，及時(shí)進(jìn)行修正，校正好后，柱的兩邊用長木條支撐在壓力機(jī)兩邊柱上，使柱保持在安裝位置，然后施加10kN荷載，穩(wěn)定柱，然后將測量撓度用百分表按照柱上刻畫的位置安裝到位，并調(diào)零，可認(rèn)為此時(shí)構(gòu)件為軸心受壓，然后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求逐級(jí)加載。當(dāng)加載出現(xiàn)荷載不再繼續(xù)上升而呈現(xiàn)下降趨勢，構(gòu)件的變形卻在不斷繼續(xù)發(fā)展時(shí)，便可確定該構(gòu)件已處于失穩(wěn)狀態(tài)，以此時(shí)的荷載作為試件的極限荷載;與極限荷載對應(yīng)的應(yīng)變作為構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)的極限應(yīng)變，對應(yīng)的撓度作為構(gòu)件的極限變形。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1重組竹的破壞形態(tài)從試驗(yàn)過程來看，初始加載時(shí)，構(gòu)件的應(yīng)變值和撓度變化隨荷載的增加而增大，當(dāng)荷載達(dá)到某一數(shù)值且保持不變時(shí)，應(yīng)變和撓度都出現(xiàn)不斷增加，此時(shí)百分表的表針不停轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)施加的荷載全部卸載后，試件在試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的彎曲變形基本得到恢復(fù)，殘余變形量很少，基本可以忽略，初步可以斷定，重組竹柱的整體失穩(wěn)是在彈性范圍內(nèi)的彎曲屈曲。正方形截面重組竹柱在承受軸心壓力后，同時(shí)存在軸向變形和彎曲變形，說明試件符合實(shí)際軸心壓桿的特性，存在初始彎曲和初始偏心;當(dāng)彎曲變形達(dá)到一定程度時(shí)，出現(xiàn)荷載不增加而變形不斷增加但沒有發(fā)生強(qiáng)度破壞的現(xiàn)象，基本符合實(shí)際軸心壓桿的整體失穩(wěn)現(xiàn)象，因此其破壞形態(tài)認(rèn)定為彎曲屈曲型整體失穩(wěn)。

2.2重組竹的總體壓縮變形和側(cè)向撓度柱的總體壓縮變形最大為2.19mm，最小為0.74mm，可以看出柱最終失穩(wěn)時(shí)的總體壓縮變形很小。不同荷載下柱的側(cè)向撓度如圖3所示，從圖3可以看出，當(dāng)荷載為10kN時(shí)，重組竹柱中央已偏離軸線位置產(chǎn)生微量彎曲變形，使壓桿在外加壓力作用下除發(fā)生軸向壓縮變形外，還附加了彎曲變形，由于試驗(yàn)狀態(tài)下的柱存在初彎曲和初偏心，故試驗(yàn)初期出現(xiàn)彎曲為正常現(xiàn)象。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在重組竹柱中點(diǎn)位置處側(cè)向撓度最大，隨著荷載的增加撓度不斷增加，在所有4根柱中，整體失穩(wěn)前最大側(cè)向撓度為7.36mm，最小僅為4.70mm。

2.3荷載-應(yīng)變曲線試驗(yàn)測得4根柱跨中截面的4個(gè)側(cè)面沿構(gòu)件豎向和橫向的應(yīng)變數(shù)值，圖4所示關(guān)系曲線是各柱彎曲受拉一側(cè)上的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變隨荷載變化的情況。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，重組竹柱在加載初期，荷載與應(yīng)變基本保持線性關(guān)系。由于試件并非理想的軸心壓桿，因此隨著荷載不斷加大，試件兩側(cè)拉、壓應(yīng)力不斷加大，處于彎曲平衡狀態(tài)，符合實(shí)際軸心壓桿特征。

2.4試驗(yàn)承載力與理論計(jì)算比較實(shí)際測得的柱截面尺寸和長度如表2所示，重組竹柱失穩(wěn)破壞時(shí)的臨界荷載采用材料力學(xué)計(jì)算公式:按木結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算軸心壓力設(shè)計(jì)值(見表2)。由表1，2可以看出，除柱4以外其余柱的試驗(yàn)承載力均小于按照理想軸心壓桿計(jì)算的理論臨界荷載，也符合實(shí)際軸心壓桿的受力情況。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槟窘Y(jié)構(gòu)規(guī)范中所計(jì)算的是理想軸心壓桿，而重組竹屬于非均質(zhì)材料，性能不同于木材，順紋抗壓強(qiáng)度大，故按照木結(jié)構(gòu)規(guī)范中公式計(jì)算的軸心壓力設(shè)計(jì)值較大，與試驗(yàn)值相差較遠(yuǎn)，因此實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)不宜采用木結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算公式。

3結(jié)語

根據(jù)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，可以判定重組竹柱軸心受壓時(shí)的破壞形態(tài)為彎曲屈曲型整體失穩(wěn)。重組竹柱產(chǎn)生的整體失穩(wěn)是在彈性范圍內(nèi)的彎曲屈曲，說明重組竹材料彈性較好，穩(wěn)定承載力計(jì)算可適用材料力學(xué)基本公式。作者最后提出幾點(diǎn)建議如下:①工程中梁柱節(jié)點(diǎn)盡量按照鉸接處理，使柱盡可能接近軸心受壓狀態(tài);②為提高柱的抗彎能力，提高穩(wěn)定極限承載力，當(dāng)柱2個(gè)主軸方向柱距不同時(shí)可以采用矩形截面柱;③實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)軸心壓桿承載力可參考?xì)W拉臨界力計(jì)算公式，不宜采用木結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算公式;④為提高柱的長細(xì)比，同時(shí)也不增加用材，可選用箱形截面或工字形截面柱。

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作者：張?zhí)K俊 趙志高 張文娟 石亞勇 單位：南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院