毛竹杆纯弯构件受力性能试验研究.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering毛竹杆纯弯构件受力性能试验研究何子奇a,b,刘昌平a,周绪红a,b,肖洒a,钟紫勤a(重庆大学 a.土木工程学院;b.山地城镇建设与新技术教育部重点试验室,重庆 400045)摘要:为研究毛竹杆的受弯性能,先对取自 10 根毛竹的 40 组竹条标准材性件进行抗弯试验,得到其破坏模式和抗弯强度;再对直径为 90、120 mm,跨距为 3 000、3 600 mm 的 24根毛竹杆
2、进行弯曲试验,研究其荷载位移曲线、初始抗弯刚度、极限承载力、挠度、破坏模式等相关力学性能;理论推导毛竹梁破坏受压区高度及受拉区边缘应力。结果表明:毛竹梁跨距变化对挠度的影响大于直径变化对挠度的影响,毛竹梁直径越大、跨距越小,初始抗弯刚度越大;根据试验数据,按弹性理论计算出毛竹杆受弯破坏时的受压区高度在 3R/2 处,在小挠度条件下,毛竹梁受弯符合平截面假定,大挠度条件下,截面受压区高度上移,计算出的破坏边缘拉应力与平截面假定计算的结果不一致,建议毛竹梁受弯破坏弯矩按上边缘顺纹抗压强度达到最大进行计算。关键词:毛竹;受弯性能;极限承载力;破坏模式;抗弯刚度中图分类号:TU366.1;TU317
3、文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)04-0133-13Experimental study of flexural performance of raw bambooHE Ziqia,b,LIU Changpinga,ZHOU Xuhonga,b,XIAO Saa,ZHONG Ziqina(a.School of Civil Engineering;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing Un
4、iversity,Chongqing 400045,P.R.China)Abstract:In order to study the flexural performance of bamboo member,40 groups of bamboo standard wood strips from 10 raw bamboos were tested to obtain their failure modes and flexural strength.Then,the 24 raw bamboo beams with diameters of 90 mm and 120 mm making
5、 the spans of 3 000 mm and 3 600 mm were subjected to bending collapse tests.And the load-displacement curves,initial bending stiffness,ultimate bearing capacity,deflection and failure modes were analyzed.The height of compressive zone and edge stress of tensile zone of the raw bamboo beams were ded
6、uced theoretically.The results show that the influence of span change on deflection of bamboo beam is greater than that of diameter at breast height.The larger diameter at breast height and the smaller span,the greater the initial bending stiffness of the bamboo beams.According to the test data and
7、the classical elastic theory,it is calculated that the compressive zone height of the bamboo beam is DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2021.139收稿日期:20210421基金项目:国家重点研发计划(2017YFC0703504)作者简介:何子奇(1980-)男,博士,副教授,主要从事钢结构、新型原竹结构基本理论和应用研究,E-mail:。周绪红(通信作者),男,博士,教授,E-mail:。Received:20210421Foundation item:Nati
8、onal Key R&D Program(No.2017YFC0703504)Author brief:HE Ziqi(1980-),PhD,associate professor,main research interest:basic theory and application of steel structure and new-type raw bamboo structure,E-mail:.ZHOU Xuhong(corresponding author),PhD,professor,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学
9、报(中 英 文)about 3R/2 height of the cross-section.Under the condition of small deflection,the bending of Phyllostachys pubescents beam conforms to the assumption of flat section,while under the condition of large deflection,the height of compression zone of section moves up,and the calculated tensile s
10、tress of failure edge is inconsistent with the calculated result of the assumption of flat section.It is suggested that the bending moment of Phyllostachys pubescents beam should be calculated according to the maximum compressive strength of the upper edge along the grain.Keywords:moso bamboo;flexur
11、al performance;ultimate bearing capacity;failure mode;flexural rigidity随着“低碳环保建筑”概念的提出,竹结构建筑越来越受到建筑师的关注。竹材生长期短、成材快,吸碳性能显著,是一种理想的建筑原材料。毛竹是中国竹类植物中分布最广、用途最多的优良品种,又称楠竹。毛竹具有可再生、易降解、轻质、保温隔热等优点;同时,毛竹力学性能优良,其强度、硬度约为一般木材(中软阔叶材和针叶材)的 2 倍左右,密度低于钢材,顺纹抗压强度相当于钢材的1/51/4,顺纹抗拉强度约为钢材的 1/2(Q235)1,且毛竹用于建筑结构形式灵活多变,建筑造型优
12、美,能够满足建筑师们对美学的追求。近年来对工程竹研究较多,比如重组竹和胶合竹等。肖岩等2研究了胶合竹受拉、受压、受弯及受剪等基本力学性能;Kumar 等3研究了胶合竹密度对力学性能和材料吸水率的影响;Lv 等4通过试验研究了普通胶合竹梁和用玄武岩纤维增强聚合物施加预应力的胶合竹梁的抗弯力学性能;周军文等5研究了重组竹梁的受弯承载力和破坏形态;周爱萍等6研究了碳纤维增强重组竹的受弯破坏模式与破坏机理,并导出了 CFRP 增强重组竹梁的极限承载力计算公式;S Ribeiro 等7研究了结构竹的抗弯强度并进行了无损评价;Wei等8研究了重组竹梁的弯曲性能,通过弯曲试验确定了重组竹梁的失效模式、载荷位
13、移关系、承载力和抗弯刚度等;魏洋等9对足尺重组竹受弯构件进行了试验研究和理论分析。张苏俊等10通过抗弯性能试验分析了重组竹梁的抗弯性能和破坏形态,证明了重组竹梁的跨中挠度和纵向应变均与荷载呈线性关系,且与理论结果一致。赵志高等11研究了重组竹梁在碳纤维增强聚合物两种方法加固后的抗弯承载力特性和破坏模式。天然原竹仍然受到建筑师和艺术家们的青睐,原竹的结构性能也一直为设计人员所关注。肖岩等12介绍了现代竹结构体系的应用实例,分析总结了现代竹结构发展现状及其优缺点;Garcia-Aladin等13通过试验和有限元模拟确定了双根竹杆梁刚度,并根据双竹梁转动惯量评估了梁的挠度,得到了按平行移轴理论计算出
14、的有效惯性矩数值偏大、使计算挠度大大低于试验挠度的结论。何子奇等14研究了毛竹受压时的力学性能,并针对单根毛竹承载力不足提出了多肢抱合柱竹;于金光等15研究了含水率、竹节和取材单元对原竹抗压强度、环刚度及抗弯强度等力学性能的影响;张丹等16研究了毛竹力学性能的变异规律;Bahtiar 等17对 190 根不同长度 Guadua竹杆的屈曲性能进行了试验研究,得出了竹杆的几何和物理特性、抗压强度及承载能力,通过屈曲公式拟合试验数据,对比各屈曲公式的拟合优度,证明了 Ylinen屈曲公式更适用于 Guadua竹杆在整个长细比范围内的屈曲折减系数计算;陈肇元18分析了圆竹杆件作为受压杆件的优缺点,并通
15、过试验数据拟合得到一种计算原竹压杆承载力的计算方法;Ghavami19对比分析了钢筋和竹筋在混凝土构件中的耐久性能,并通过竹条抗拔试验得到了竹筋与混凝土之间的粘接强度;Tian 等20对多组单根原竹柱和多组单根原竹外涂复合砂浆的复合柱进行轴压试验,研究了两种竹柱的强度和稳定性能。综上,对竹子的研究目前主要集中在工程竹的物理力学性能、原竹杆件物理力学性能及其作为加筋体的组合构件的受力性能,而对原竹杆受弯性能方面的研究较少,不利于原竹在建筑工程领域的广泛推广。笔者主要探究毛竹的跨距、直径对毛竹梁初始刚度、极限承载力和挠度等抗弯性能的影响。选用24根两种不同跨距和直径的毛竹进行受弯试验,对比其受弯性
16、能,并分析了直径为 100、120 mm 和跨距为 3 000、3 600 mm 四种不同毛竹梁受弯破坏时的受压区高度。1试验概况1.1竹条标准件抗弯强度试验1.1.1试件设计竹条标准件取自同批砍伐风干后 10根不同的毛竹,从每根毛竹的根部和梢部各取2 组竹条标准件,总共 40 组试件。试件长度为 220 mm,截面高度为 15 mm,厚度取天然状态的壁厚;规定 B 代表毛竹,B1代表第 1根毛竹,随后接数字,1、2表示试件取自毛竹梢部,3、4表示试件取自毛竹根部,如 B1-1 表示取自第 1 根毛竹梢部的第 1 组试件,B1-2 表示取自第 1 根毛竹梢部的第 2 组试件,B1-3表示取自第
17、 1根毛竹根部的第 1组试件。B1-4表示取自第 1 根毛竹根部的第 2 组试件,试件测试结果见表 1。1.1.2试验方案加载装置为 300 kN 液压夹具试验机,按 建筑用竹材物理力学性能试验方法(JG/T 1992007)21规定的两点对称加载方式进行加载,如图 1所示,以每分钟 150 N/mm2的速度加载至试件破坏。1.2毛竹杆受弯试验1.2.1试件设计为研究毛竹直径、跨距对毛竹梁受弯性能的影响,试件材料选用竹龄大于 4 a且无明显缺陷的毛竹 24根,试件直径有 90、120 mm 两种规格,跨距选择 3 000、3 600 mm;规定 B 代表毛竹,后 面 数 字 分 别 代 表 毛
18、 竹 杆 直 径、跨 距、编 号,如B90-3600-1 表示第 1 根毛竹杆直径为 90 mm、跨距为 3 600 mm;24根毛竹杆分别分为 B90-3600系列、B90-3000 系列、B120-3600 系列、B120-3000 系列 4组,每组 6 根。根据设计的试件参数对毛竹进行加工并测量实际尺寸,试件实测尺寸见表 1。试验加载 装 置 示 意 如 图 2 所 示,分 配 梁 间 距 离 l=1 200 mm,即为毛竹梁纯弯段长度。1.2.2测点布置将拉线式位移计连接在毛竹杆跨中正下方,用于测量毛竹杆在试验过程中的挠度信息,具体布置方式如图 3所示。1.2.3加载制度采用自行组装的
19、试验装置对试件进行加载,如图 4 所示,主要包括反力架、液压千斤顶、30 t力传感器及混凝土刚性支座,通过调节液压千斤顶的油压控制试验加载速率。试验初期,以0.5 kN为加载级差,每级荷载加载完成后持荷1 min,试验后期,挠度较大时以位移控制加载,以5 mm 位移增量为加载级差,当试件破坏或荷载下降至极限荷载的 80%时停止试验,并保存相关试验数据。2竹条标准件受弯试验结果2.1试验现象及破坏模式加载初期,竹条标准件发生弯曲变形,随着试验的进行试件开始破坏,根据观察到的试验现象将试件的破坏模式分为如图 5 所示的 4 种:竹条试件两加载点受拉侧竹纤维被拉断并相互交错,加载点受压侧顶部出现微小
20、裂缝,如图 5(a)所示;竹条跨中在受拉侧底部出现横向断裂,随着荷载的施加,裂缝逐渐往受压侧延伸,当裂缝延伸至横截面约 1/2高度处时,横向断裂停止,之后断裂沿着纵向发生,如图 5(b)所示;竹条某一个加载点处的底部受拉区域产生横向断裂,当断裂裂缝延伸至横截面约 1/2图 1标准件抗弯性能加载Fig.1Flexural performance loading of standard parts图 2试验装置示意图Fig.2Schematic diagram of test device图 4毛竹杆受弯性能加载装置图Fig.4Diagram of loading device for bendi
21、ngperformance of Moso bamboo pole图 3测点布置Fig.3Measuring point arrangement134第 4 期何子奇,等:毛竹杆纯弯构件受力性能试验研究mm,截面高度为 15 mm,厚度取天然状态的壁厚;规定 B 代表毛竹,B1代表第 1根毛竹,随后接数字,1、2表示试件取自毛竹梢部,3、4表示试件取自毛竹根部,如 B1-1 表示取自第 1 根毛竹梢部的第 1 组试件,B1-2 表示取自第 1 根毛竹梢部的第 2 组试件,B1-3表示取自第 1根毛竹根部的第 1组试件。B1-4表示取自第 1 根毛竹根部的第 2 组试件,试件测试结果见表 1。1
22、.1.2试验方案加载装置为 300 kN 液压夹具试验机,按 建筑用竹材物理力学性能试验方法(JG/T 1992007)21规定的两点对称加载方式进行加载,如图 1所示,以每分钟 150 N/mm2的速度加载至试件破坏。1.2毛竹杆受弯试验1.2.1试件设计为研究毛竹直径、跨距对毛竹梁受弯性能的影响,试件材料选用竹龄大于 4 a且无明显缺陷的毛竹 24根,试件直径有 90、120 mm 两种规格,跨距选择 3 000、3 600 mm;规定 B 代表毛竹,后 面 数 字 分 别 代 表 毛 竹 杆 直 径、跨 距、编 号,如B90-3600-1 表示第 1 根毛竹杆直径为 90 mm、跨距为
23、3 600 mm;24根毛竹杆分别分为 B90-3600系列、B90-3000 系列、B120-3600 系列、B120-3000 系列 4组,每组 6 根。根据设计的试件参数对毛竹进行加工并测量实际尺寸,试件实测尺寸见表 1。试验加载 装 置 示 意 如 图 2 所 示,分 配 梁 间 距 离 l=1 200 mm,即为毛竹梁纯弯段长度。1.2.2测点布置将拉线式位移计连接在毛竹杆跨中正下方,用于测量毛竹杆在试验过程中的挠度信息,具体布置方式如图 3所示。1.2.3加载制度采用自行组装的试验装置对试件进行加载,如图 4 所示,主要包括反力架、液压千斤顶、30 t力传感器及混凝土刚性支座,通过
24、调节液压千斤顶的油压控制试验加载速率。试验初期,以0.5 kN为加载级差,每级荷载加载完成后持荷1 min,试验后期,挠度较大时以位移控制加载,以5 mm 位移增量为加载级差,当试件破坏或荷载下降至极限荷载的 80%时停止试验,并保存相关试验数据。2竹条标准件受弯试验结果2.1试验现象及破坏模式加载初期,竹条标准件发生弯曲变形,随着试验的进行试件开始破坏,根据观察到的试验现象将试件的破坏模式分为如图 5 所示的 4 种:竹条试件两加载点受拉侧竹纤维被拉断并相互交错,加载点受压侧顶部出现微小裂缝,如图 5(a)所示;竹条跨中在受拉侧底部出现横向断裂,随着荷载的施加,裂缝逐渐往受压侧延伸,当裂缝延
25、伸至横截面约 1/2高度处时,横向断裂停止,之后断裂沿着纵向发生,如图 5(b)所示;竹条某一个加载点处的底部受拉区域产生横向断裂,当断裂裂缝延伸至横截面约 1/2图 1标准件抗弯性能加载Fig.1Flexural performance loading of standard parts图 2试验装置示意图Fig.2Schematic diagram of test device图 4毛竹杆受弯性能加载装置图Fig.4Diagram of loading device for bendingperformance of Moso bamboo pole(a)测点位置(b)拉线式位移计图 3测
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