重组竹柱轴心受压试验探究范文

《施工技术杂志》2015年第S1期

［摘要］

重组竹是一种将竹材重新组织并加以强化成型的竹质复合材料，介绍了4根由重组竹制作的方形截面柱的轴心受压试验研究，通过数据分析及理论计算，初步探明了方形截面重组竹柱在受压时的承载能力及破坏形态，结果表明其破坏是杆件丧失整体稳定性所致，并没有出现强度破坏;试验所得的压杆稳定承载力与理论计算的临界荷载接近，为重组竹柱应用于建筑结构提供了可靠的参考价值。

［关键词］

特种结构;重组竹柱;轴心受压;试验;研究

由于重组竹保留了竹材的优点，改善了竹材如竹节处抗拉强度低等缺陷，近几年逐渐被应用于建筑结构中。目前对重组竹的研究大多集中在其加工和基本力学性能方面，关于重组竹作为建筑结构柱的研究还比较少。目前国内还没有重组竹结构相关设计规范，重组竹柱可以设计为轴心受压构件，但实际工程中的柱都不可避免地存在初弯曲、初偏心等缺陷，因此有必要开展一些重组竹柱轴心受压试验的研究。通过本文的试验研究和理论分析，希望得到重组竹柱受压时的破坏形态和稳定承载力，说明重组竹可以作为结构柱使用。

1试验研究

1.1试件设计和制作本次试验设计了4根重组竹柱，试件的加工采用同一批材料，重组竹的物理特性和力学性能为:含水率8.9%，密度1.1kg/m3，弹性模量6989.4MPa，顺纹抗压强度80MPa。在计算中不考虑胶黏剂的老化和在使用中带来的松弛性，并且采用同样的施工工艺进行加工，柱的截面尺寸为75mm×75mm，高度均为1300mm，长细比λ=60，分别记作柱1、柱2、柱3、柱4。同时制作试件时将试件的两个端面磨平，使两端端面尽量与试件轴线垂直，从而尽量减少由于加工制造而造成加载时的初偏心。

1.2试验装置及试验方案本次试验采用200t长柱试验机进行静力加载，在试件的上下两端安装刀铰，刀铰的安装保证试件截面在平行于刀铰的轴线上转动;刀铰要保证接触面尽量小，保证转动灵敏，尽量减少约束。同时将刀铰的上下表面也加工成正方形，并设置对准用的十字形标线，顶和柱底的刀铰放置方向应保证在任何方向柱的计算长度不变。图1为刀铰示意。为测定试件的应变值，在柱的中央截面的4个侧面沿竖向和横向粘贴标距为50mm的电阻应变片各1对，应变片采用BX120-50AA，电阻为(119.8±0.1)Ω，栅长×栅宽:50mm×3mm，灵敏度为(2.08±1)%;为测量试件的侧向挠度，沿柱高度方向在垂直于刀铰2个面上分别装5个百分表;为测量柱长度方向的总压缩变形，在靠近试件的顶部平行于刀铰的面上用胶水粘贴1个木块，用百分表抵住木块。图2为试验装置及测点布置示意。

1.3试验步骤和过程试验采用单调加载静力试验，在正式加载前，对安装好的试验柱进行预加压，使其进入正常工作状态，使变形和荷载的关系趋于稳定。此次试验初始荷载值设定为10kN，同时检查试验装置是否可靠和所用测量仪表的工作是否正常，然后从初始荷载加载到第1级加载完成(荷载F1)，再卸载至初始荷载，反复进行4次，F1值取为20kN;随即以匀度连续逐级加载，每级荷载为△F，但考虑到重组竹柱的承载力比木柱的承载力高，为较为详细地记录试验过程中的相关参数，起始荷载分级较大，而在接近极限荷载时，采用较小分级，以便获得最接近其稳定临界荷载的试验值，每级加载的数值为:F=10～40kN时，△F=10kN;F＞40kN时;△F=5kN。每次加载至设定加载级别时，稳定2min后记录应变及挠度值;并观测刀铰支座的转对情况。

1.4数据记录在整个加载过程中进行物理对中，为保证物理对中的效果，在刀铰的上下底板上将柱安装的精确位置用铅笔做标记，以方便物理对中和柱位置的控制;同时利用磁力吊锤控制柱的垂直度，并利用吊锤检查上下对中的效果，如出现偏差，及时进行修正，校正好后，柱的两边用长木条支撑在压力机两边柱上，使柱保持在安装位置，然后施加10kN荷载，稳定柱，然后将测量挠度用百分表按照柱上刻画的位置安装到位，并调零，可认为此时构件为轴心受压，然后按照试验设计要求逐级加载。当加载出现荷载不再继续上升而呈现下降趋势，构件的变形却在不断继续发展时，便可确定该构件已处于失稳状态，以此时的荷载作为试件的极限荷载;与极限荷载对应的应变作为构件失稳时的极限应变，对应的挠度作为构件的极限变形。

2试验结果及分析

2.1重组竹的破坏形态从试验过程来看，初始加载时，构件的应变值和挠度变化随荷载的增加而增大，当荷载达到某一数值且保持不变时，应变和挠度都出现不断增加，此时百分表的表针不停转动。当施加的荷载全部卸载后，试件在试验过程中所产生的弯曲变形基本得到恢复，残余变形量很少，基本可以忽略，初步可以断定，重组竹柱的整体失稳是在弹性范围内的弯曲屈曲。正方形截面重组竹柱在承受轴心压力后，同时存在轴向变形和弯曲变形，说明试件符合实际轴心压杆的特性，存在初始弯曲和初始偏心;当弯曲变形达到一定程度时，出现荷载不增加而变形不断增加但没有发生强度破坏的现象，基本符合实际轴心压杆的整体失稳现象，因此其破坏形态认定为弯曲屈曲型整体失稳。

2.2重组竹的总体压缩变形和侧向挠度柱的总体压缩变形最大为2.19mm，最小为0.74mm，可以看出柱最终失稳时的总体压缩变形很小。不同荷载下柱的侧向挠度如图3所示，从图3可以看出，当荷载为10kN时，重组竹柱中央已偏离轴线位置产生微量弯曲变形，使压杆在外加压力作用下除发生轴向压缩变形外，还附加了弯曲变形，由于试验状态下的柱存在初弯曲和初偏心，故试验初期出现弯曲为正常现象。同时可以发现在重组竹柱中点位置处侧向挠度最大，随着荷载的增加挠度不断增加，在所有4根柱中，整体失稳前最大侧向挠度为7.36mm，最小仅为4.70mm。

2.3荷载-应变曲线试验测得4根柱跨中截面的4个侧面沿构件竖向和横向的应变数值，图4所示关系曲线是各柱弯曲受拉一侧上的拉应变和压应变随荷载变化的情况。从试验数据可以看出，重组竹柱在加载初期，荷载与应变基本保持线性关系。由于试件并非理想的轴心压杆，因此随着荷载不断加大，试件两侧拉、压应力不断加大，处于弯曲平衡状态，符合实际轴心压杆特征。

2.4试验承载力与理论计算比较实际测得的柱截面尺寸和长度如表2所示，重组竹柱失稳破坏时的临界荷载采用材料力学计算公式:按木结构规范计算轴心压力设计值(见表2)。由表1，2可以看出，除柱4以外其余柱的试验承载力均小于按照理想轴心压杆计算的理论临界荷载，也符合实际轴心压杆的受力情况。同时发现，因为木结构规范中所计算的是理想轴心压杆，而重组竹属于非均质材料，性能不同于木材，顺纹抗压强度大，故按照木结构规范中公式计算的轴心压力设计值较大，与试验值相差较远，因此实际工程设计时不宜采用木结构规范计算公式。

3结语

根据试验过程中出现的现象，可以判定重组竹柱轴心受压时的破坏形态为弯曲屈曲型整体失稳。重组竹柱产生的整体失稳是在弹性范围内的弯曲屈曲，说明重组竹材料弹性较好，稳定承载力计算可适用材料力学基本公式。作者最后提出几点建议如下:①工程中梁柱节点尽量按照铰接处理，使柱尽可能接近轴心受压状态;②为提高柱的抗弯能力，提高稳定极限承载力，当柱2个主轴方向柱距不同时可以采用矩形截面柱;③实际工程设计时轴心压杆承载力可参考欧拉临界力计算公式，不宜采用木结构规范计算公式;④为提高柱的长细比，同时也不增加用材，可选用箱形截面或工字形截面柱。

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作者：张苏俊 赵志高 张文娟 石亚勇 单位：南京林业大学材料科学与工程学院 扬州工业职业技术学院建筑工程学院