三种典型竹质工程材料纵向弹性模量评价

以重组竹、竹束单板层积材（BLVL）、竹集成材为代表的竹质工程材料受到越来越多的关注和应用。文中采用超声波法、自由横向振动法和力学法分别对上述3种典型竹质工程材料的纵向动态弹性模量（MOE）进行评价比较,结果表明,横向自由振动法能较为快速、准确和无损地评价出竹质工程材料的MOE,MOE的变异系数与其自身铺装结构有关;重组竹、BLVL和竹集成材的一阶共振频率分别为455.73、380.41和487.62 Hz;超声波在竹集成材的纵向上传播速度最快,重组竹其次,BLVL最慢;三点弯曲力学测试发现3种竹质工程材料的断裂模式不同,全顺向的重组竹为竹纤维拉断和界面剪切破坏,纵横组坯的BLVL为横向竹束拉断以及竹/木复合界面分层,而更多体现实竹性能的竹集成材为底层竹材维管束拉断和拔出破坏,其断裂载荷为重组竹> BLVL >竹集成材,而断裂位移为竹集成材> BLVL >重组竹。     

梁柱用竹质工程材料及其构件研究进展

竹质工程材料及构件的研发,不仅拓展了竹材在建筑、交通和桥梁等领域的应用,而且符合我国绿色发展、清洁生产、乡村振兴战略等重大政策需求。文中阐述了以竹集成材、竹篾集成材、竹重组材为代表的3种竹质工程材料的研究进展,在此基础上梳理归纳了竹集成材梁柱、竹篾集成材梁柱、重组竹材梁柱、复合竹质梁柱构件以及双拼梁柱等5种梁柱工程构件的结构特点,并从建立竹质工程材料与构件的评价分级方法、研发梁柱用竹质工程构件的长效绿色防护技术、制定相关的规范与标准等尚需解决的几个关键技术方面提出了将来的研究展望。     

落叶松胶合木力学性能试验研究

落叶松胶合木是一种对其锯材进行加工形成的工程复合材,为研究其基本力学性能和工程适用性,对落叶松木材试件进行抗拉、抗压及抗弯等试验研究,分析了其破坏形态及机理,得到了落叶松胶合木的抗拉、抗压和抗弯强度及弹性模量。结果表明:落叶松胶合木抗压和抗弯试件经历了弹性、弹塑性和破坏3个阶段,表现为塑性破坏;抗拉试件没有明显的屈服阶段,表现为脆性破坏。基于试验结果和理论分析,结合木结构相关设计标准,提出了落叶松胶合木设计建议值,为实际工程应用提供参考。     

老化和饱水处理对重组竹抗压性能的影响

为探究老化、纤维饱水以及加载方向对重组竹抗压性能及应力-应变关系的影响,对气干、老化和纤维饱水3种状态的9组重组竹试件进行了顺纹、宽度和厚度方向的压缩试验,分析其破坏模式、弹性模量、屈服应力、极限应力和极限应变等力学性能,并在Ramberg-Osgood(R-O)模型中引入状态系数k以反馈重组竹在气干、老化、纤维饱水3种状态下压缩应力-应变关系的差异。结果表明：重组竹顺纹压缩试件包含Y形破坏和对角剪切破坏2种破坏模式,厚度和宽度方向压缩试件均表现为压溃破坏;老化和纤维饱水处理会加剧其破坏。重组竹在不同方向上的压缩力学性能存在明显差异,宽度方向的压缩弹性模量和屈服应力比厚度方向高,而极限应力和极限应变则低于后者;老化和纤维饱水处理会显著降低重组竹的压缩弹性模量、屈服应力和极限应力。改进的R-O模型能准确反映重组竹在不同加载方向、不同状态下的压缩应力-应变关系,可用于后续的重组竹结构数值模拟分析。     

定向重组竹集成材:一种无限接长的新材料

针对传统竹集成材接长后力学性能大幅度降低的问题,研发了一种可实现竹集成材无限接长且低强度损失率的新产品——定向重组竹集成材。文章介绍了该产品的制备工艺、基本物理力学性能与应用范围,并与传统竹集成材进行了对比。通过这种制备方法,可以减少竹集成材接长的强度损失,丰富目标产品的尺寸规格,扩大其应用范围,是一种具有市场竞争力的产品。     

不同预应力CFRP增强结构用集成材抗弯性能研究

通过对CFRP施加不同的预应力,分析在不同预应力下CFRP增强结构用集成材的抗弯性能。结果显示:随着预应力的增大,CFRP增强结构用集成材的抗弯性能得到显著提高。在50%~66%预应力施加范围内,CFRP增强结构用集成材较未增强结构用集成材,极限荷载提高了15.8%~51.8%,抗弯强度提高了38.5%~81.7%,抗弯弹性模量提高了23.9%~70.5%。对CFRP施加预应力使集成材木梁的弯曲破坏形式由脆性拉伸破坏转变为延性压缩破坏,并且使集成材木梁跨中挠度过大的现象得到改善。同时也使集成材木梁的中性轴位置向下偏移,从而使木材的抗压能力得到了充分利用。     

碳纤维增强重组竹梁的抗弯性能

研究了重组竹梁在碳纤维增强聚合物(CFRP)两种加固方法后的抗弯承载力特性和破坏模式,第一种加固方法为仅在重组竹梁受拉区的底部粘贴CFRP,第二种加固方法为在重组竹梁受拉区的底部和所有指接位置均粘贴碳纤维布,对加固后的重组竹梁进行竖向荷载作用下的静力加载抗弯试验。试验结果表明:重组竹梁经过第一种方法加固后,其极限承载能力比加固前提高了14.0%,对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力比未加固前的重组竹梁提高了6.5%;第二种加固方法与第一种相比,其极限抗弯承载能力并未得到提升,反而有所下降,但是对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力比加固前提高了19.6%。使用CFRP底部加固后,重组竹梁的抗弯承载力和变形性能相比加固前得到了明显的改善。     

竹材横向自由振动的研究

开展悬臂横向自由振动法测试以竹片为基本单元的竹集成材弹性模量试验研究,结果发现:长厚比对振动法测试竹材弹性模量影响显著,长厚比大于30时,剪切力和转动对振动的影响可以忽略,而长厚比小于15时,动弹性模量明显小于静弹性模量;竹集成材密度跟动弹性模量呈正比关系;竹集成材动弹性模量与静弹性模量有显著的线性相关性,其相关系数为0.910。研究表明:悬臂横向自由振动法能实现对竹集成板材弹性模量的检测,且具有较高的准确性。     

结构用竹集成材物理力学性能研究

测定结构用竹集成材及其竹指接集成材的主要物理力学性能,并将测试结果与几种人工林单板层积材以及常见建筑用材种的相关性能进行比较.结果表明:竹集成材的水平剪切强度、静曲强度以及弹性模量等力学性能非常优越,浸渍剥离性能较差.     

基于C语言的结构用集成材木梁抗弯刚度模型研究

基于平行轴定理,采用变换截面法建立结构用集成材木梁的抗弯刚度C语言可执行程序模型,并通过足尺木梁的抗弯力学性能试验验证模型的有效性。本试验根据木材抗弯弹性模量测定方法国家标准（GB/T 1936.2—2009）中的相关要求,测定层板木材的抗弯弹性模量并将其导入C语言程序模型,得到梁体抗弯刚度的模型理论值。依据结构用集成材国家标准（GB/T 26899—2011）对木梁进行四点抗弯测试并实时采集梁体跨中挠度、荷载数据,得到梁体抗弯刚度的实测值。对比梁体抗弯刚度的模型理论值与实测值,得出其平均相对误差率为3.89%。结构用集成材木梁抗弯刚度模型的建立应充分考虑梁体自身的构造缺陷,以综合层板的力学性能变异性及尺寸效应等影响因素,合理引入修正系数,提高模型的准确度与适用性。     

现代胶合竹的超声波检测与轴压强度的试验研究与分析

胶合竹材料作为一种竹材深加工产品,具有强度高、性能稳定、适宜工业化生产加工等特点。为深入研究胶合竹材料的力学性能,对7组共70个基材叠合方向、试件长度不同的胶合竹清材小试件进行了超声波波速检测和轴心抗压强度试验。试验结果显示,胶合竹材料具有较高强度,破坏以试件基材破坏而非胶层剥离为主。胶合基材的叠层方向对超声波速和刚度、轴压强度影响较大,超声波速与强度、弹性模量具有一定相关性,因此可以基于超声波波速指标对胶合竹试件的强度和弹性模量进行无损检测。通过各试件的抗压强度曲线可以发现,顺纹抗压试件的强度明显高于2类横纹抗压试件,后者在试验后期仍可产生获得强度提升,3类试件都具有较大的塑性变形能力,3类试件不同的力学特性可以使其应用于不同的场景。     

竹质复合工程材料受弯构件试验研究进展

现代竹结构建筑尚无相关的设计规范,对其主要承载构件的基础研究和设计参考依据研究显得尤为重要。文中简要综述了近年来国内外竹质复合工程材料受弯构件试验研究进展,从3个角度阐述了竹材在竹质复合工程材料中所起的作用,并对竹质复合工程材料的研究应用提出了展望。     

竹集成材研究进展

竹材是一种环境友好、可循环使用的绿色建材,但原竹尺寸较小、刚度较低,从而制约其推广应用。竹集成材是将速生、短周期的竹材加工成定宽、定厚的竹片,干燥至8%~12%的含水率,再通过胶黏剂将竹片胶合而成的型材。目前的生产工艺可以灵活控制其构件尺寸和长度,具备良好的推广应用前景。首先介绍了国内外竹集成材的生产工艺研究和发展概况,指出研发耐久性较强而又不减弱竹集成材力学性能的方法,以及提高竹集成材产品生产的机械化自动化程度是生产工艺研究的主要发展方向;随后从材性和构件两个方面阐述了国内外竹集成材基本力学性能研究进展,提出了该研究领域急需解决的问题,如各种复杂条件和复杂应力下竹集成材的本构模型、破坏准则及构件的力学计算模型等;最后介绍了竹集成材标准现状。     

GFRP管约束竹筋细石混凝土组合杆力学性能试验

在当前绿色发展、“双碳”目标、科技创新的多元化发展中,工程建设行业要实现“双碳”目标,需寻找合适的钢制品替代产品。竹材作为重要工程结构用材应时而发,很有必要研发“以竹代钢”的创新技术和产品。依据实际工程需求,提出一种玻璃纤维复合材料(GFRP)管约束大截面竹筋细石混凝土组合(GBCC)构件,替代薄壁钢管用作围栏承载立杆。GBCC构件力学性能良好、制作工艺简单、产品绿色低碳。为研究GBCC的基本受力性能和不同材料的协同工作状态,进行了12根GBCC短杆轴压破坏试验、7根长杆轴压稳定试验和10根长杆抗弯试验,并研究了GBCC杆力学性能的影响规律。结果表明：GBCC短杆轴压胀裂压溃破坏,长杆轴压失稳,长杆抗弯脆性断裂破坏;GBCC材料构成、含竹率、细石混凝土密实性、试件受力方向、竹筋缺陷均影响GBCC杆的受力性能;含竹率20%左右的GBCC试件能够达到甚至超过薄壁空心钢管试件的承载力和变形能力;GBCC长杆具有很好的弹性变形能力,基于试验结果构建了GBCC长杆抗压失稳极限承载力公式。     

竹-原木组合梁受弯承载力试验与数值模拟

【目的】竹、木结构使用越来越广泛,传统竹、木结构跨度、结构尺寸和承载力受到材料特性多因素影响,大多以钢木、木混等组合居多,竹木组合结构很少,对竹木组合结构受力特性研究甚少。揭示竹木组合梁结构受力特性与承载力计算关系。【方法】以原木为骨架,利用环氧树脂胶合剂连接竹集成材一种竹-原木组合梁试验模型,采用结构尺寸和特性一致的3根原木梁和3根竹-原木组合梁,进行了三分点加载受弯对比试验,分析两种结构梁的破坏形态、极限承载力、抗弯刚度和应变变化规律。【结果】1)原木梁和竹-原木组合梁均发生脆性破坏,两种原材料天然缺陷对受弯承载力有较大影响。2)跨中截面沿高度应变仍基本符合平截面假定,说明竹材和木材能够协同工作。3)竹-原木组合梁相比原木梁组平均值抗弯承载力提高了38.8%,刚度提高43.3%,跨中挠度增加24.2%。4)竹原木组合梁受弯承载力计算简式的理论计算与与试验结果进行对比,竹-原木组合梁极限承载力相比原木梁提高37.36%与试验结果提高38.8%,平均误差值在5%以内。【结论】说明竹片充分发挥抗拉性能,抗弯刚度和承载力均有较大提高;假定推理出了数值模拟与试验结果吻合较好,该研究成果对于竹-木组合结构设计以及在木结构工程中的应用提供了试验和理论依据。     

高地竹与毛竹主要物理力学性能的比较研究

非洲高地竹(Arundinaria alpina)是埃塞俄比亚的重要竹种资源之一,但其性能以及增值利用的研究非常少。本研究测定了高地竹的主要物理力学性能,并以毛竹为对照物进行分析。结果发现:高地竹尖削度小,竹壁厚,基本密度低,干缩率较大;弦向抗弯弹性模量比毛竹高,但顺纹抗压强度、弦向抗弯强度以及顺纹抗剪强度相对毛竹材较低。高地竹在原竹建筑利用和竹质人造板加工利用方面都具有可行性。     

弧形竹材胶合成型工艺研究进展

竹类植物种类繁多,资源丰富,应用广泛。在竹材加工利用中,不破坏或少破坏竹材原有的生物力学性能、天然外观颜色及纹理极其重要。弧形原态重组竹材是在此原则下开发生产的竹质产品,具有重要推广价值。从竹材特性出发,阐述了竹材成板过程中面临的问题,进而指出弧形原态重组竹开发的必要性,论述了弧形原态重组竹的生产过程、力学性能、破坏机理及其应用,以期为弧形原态重组竹材规模化生产提供理论依据。     

重组竹材料技术创新与面临的关键问题

重组竹是将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料，是中国拥有自主知识产权、并已实现产业化利用的一种竹基复合材料，具有原材料利用率高、力学性能优异的特点，产品可应用于室内外地板、家具、建筑结构材、装修装潢材，以及风电桨叶等高强度材料领域。目前，中国在重组竹制造技术领域取得重要进展，但也面临着许多制约产品开发与应用的基础研究障碍，亟待解决。文章总结了重组竹材料技术研究取得的重要进展，分析了重组竹材料在产品开发利用中尚需解决的技术问题，以期为高性能重组竹材料的理论研究和实践提供参考。     

利用孟加拉巴苦竹和龙竹生产竹质集成材

在孟加拉,由于木材资源持续下降,引发了对木材的替代原料的研究兴趣。竹子是一种生长快、可更新、经济实用的材料,是一种极有希望的木材代替品。选择两个当地竹种(巴苦竹和龙竹)研究生产竹质集成材的可行性。分别从巴苦竹和龙竹基部向上的5.4 m和3.6m截取一段竹秆,加工成方形竹块,以加工层积材。采用硼酸,漂白和碳化等防腐处理来处理竹片,以延长集成材的使用寿命。用处理过的竹片分别制成两种不同纹理方向(顺纹和交错纹理)的3层竹板材,其厚度为12 mm。以脲醛胶和聚醋酸乙烯酯作为胶粘剂。与交错纹理相比,用脲醛胶和聚醋酸乙烯酯胶合的顺纹层积材的机械强度(如断裂模数和弹性模数)较高。但用聚醋酸乙烯酯胶合的顺纹层积材的尺寸稳定性较弱。在这2个竹种中,龙竹制成的顺纹层积材性能较好。竹质集成材是一种中高强度的材料,可用作结构单板、组合家具构件、地板和墙板等。然而,需要进一步研究产品在使用期的稳定性和蠕变行为。     

碳纤维增强重组竹梁的极限挠度计算方法

重组竹力学性能优于木材,非常适用于装配式梁柱结构。重组竹抗压强度高于普通混凝土材料,受压应力-应变关系非线性特征明显,但其弹性模量仅为混凝土弹性模量的1/2左右。采用碳纤维(CFRP)增强重组竹梁可充分利用重组竹的抗压性能,提高梁的承载能力,但其非线性变形更加显著。考虑重组竹的受压非线性本构关系,提出计算梁极限挠度的弹性理论修正计算方法。该方法将梁简化为带塑性铰的杆件,假设非线性变形仅发生在塑性铰区域,杆件其余部分始终处于弹性工作状态,将梁的变形分为弹性变形与塑性变形。通过截面应变分析,得到塑性变形的计算公式,进而得到CFRP增强重组竹梁的非线性变形计算公式。CFRP增强重组竹梁的四点弯曲试验表明,所提出的计算方法具有足够的精度。