竹結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1、竹結(jié)構(gòu)輕型框架房屋的研究與應(yīng)用1在1997年美國洛杉磯北嶺和1995年日本神戶大地震中, 現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)體系都有良好的表現(xiàn), 設(shè)計良好的木結(jié)構(gòu)房屋只有稍微變形而不倒塌, 特別是減少了由于強震導(dǎo)致的建筑物損壞對人員的傷亡。由此證明了木結(jié)構(gòu)房屋在極端的荷載條件下, 其結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)的完整性。輕型木結(jié)構(gòu)住宅在美國、加拿大和日本等地應(yīng)用廣泛, 據(jù)統(tǒng)計, 美國每年新建單體住宅約90%為木結(jié)構(gòu)。除此之外, 木結(jié)構(gòu)還被廣泛應(yīng)于多層公寓住宅、商業(yè)建筑、大跨度體育及購物中心建筑等。但森林資源的匱乏極大的制約了木結(jié)構(gòu)在中國的推廣和發(fā)展, 因此急需尋找一種木材的替代品。1.前言2中國竹材資源十分豐富, 無論是

2、種植數(shù)量、面積和蓄積量, 還是竹產(chǎn)品及其加工水平, 均居世界產(chǎn)竹國之首。竹材優(yōu)點：竹材具有強度高、韌性好、耐磨損、紋理通直、色澤高雅等多種優(yōu)點, 具有硬闊葉樹材的諸多優(yōu)良特性, 是建筑行業(yè)的理想材料。竹材還具有生產(chǎn)周期短、再生性強的特點。開發(fā)利用竹材資源, 以竹代木0是緩解木材供需矛盾的有效途徑之一。3竹材的局限性：1.原竹桿的幾何形狀單一, 造成建筑形式單調(diào)。2.原材料的幾何不規(guī)則導(dǎo)致浪費和不適合現(xiàn)代施工程序, 如采用相近尺寸的竹桿必定造成選材上的麻煩和浪費;3 節(jié)點十分復(fù)雜, 往往造成連接不可靠或連接不牢固, 嚴(yán)重影響建筑的舒適度。4.原竹本身存在嚴(yán)重各向異性且橫向強度極低; 盡管單根竹桿

3、能夠承擔(dān)自重, 但畢竟單根原材的直徑有限, 作為結(jié)構(gòu)承重材料則必須采用多根園竹捆扎成束從而增加了構(gòu)造難度;5.在未經(jīng)處理的情況下, 竹材易蟲蛀、腐朽和霉變等。4竹材加工工藝：現(xiàn)有能夠用于建筑領(lǐng)域的竹材人造板主要工藝基本相同,一般需要經(jīng)過將原竹材加工成長條、去除內(nèi)節(jié)、干燥、浸膠、組坯、熱壓、鋸邊等工序, 將竹材加工成膠合竹使用。竹篾膠合板：竹篾縱橫交叉編織的竹席為結(jié)構(gòu)單元, 通過施加尿醛樹脂或酚醛樹脂后, 采用熱2熱膠合工藝成板。工藝較復(fù)雜、成本較高以及板材表面狀況不理想。竹簾膠合板：采用浸漬酚醛樹脂的長、短竹簾交叉組坯熱壓而成一種結(jié)構(gòu)板材。這種板材成本較低且力學(xué)性能較好, 可用作車廂底板和混凝

4、土模板等。竹片膠合板：采用與竹膠板相同的工藝，以帶溝槽的等厚竹片為構(gòu)成單元, 按相鄰層相互垂直組坯成對稱結(jié)構(gòu)的板坯, 經(jīng)熱壓而成。強度較高, 可用于汽車車廂底板。5竹層積材：將板材構(gòu)成單元全部順紋平行層積膠合而成的厚板, 特點是縱向強度較高而橫向強度低, 主要用于火車車廂底板。竹碎料板：為了提供竹材的利用率, 采用小直徑竹材和竹材加工余料加工成碎料, 經(jīng)干燥、施膠、鋪裝和熱壓, 制成竹碎料板其性能和用途與木刨花板接近, 可用于室內(nèi)隔墻和吊頂?shù)炔课?。竹木?fù)合板：主要有竹木復(fù)合膠合板、竹木復(fù)合刨花板、竹木復(fù)合層積材和竹木復(fù)合空心板等, 依據(jù)各自的力學(xué)性能特點, 這些板材可用于建筑模板、集裝箱底板或

5、制作家具和室內(nèi)裝修等。62 膠合竹的研發(fā)膠合竹構(gòu)件是采用特殊的加工工藝將較小尺寸的竹膠合板材粘合成按設(shè)計要求的尺寸和強度, 能滿足諸如大梁、柱和桁架等各種構(gòu)件設(shè)計要求。膠合竹材力學(xué)性能測試的試驗結(jié)果見表1, 從中可以看出試驗結(jié)果變異系數(shù)小于規(guī)范中的常用變異系數(shù), 表明試驗結(jié)果良好。7圖1 膠合竹材力學(xué)性能試驗8輕型竹結(jié)構(gòu)墻體：是由構(gòu)件斷面較小的規(guī)格膠合竹材均勻密布(間距一般為406610mm)形成由墻骨柱、頂梁板、底梁板和過梁組成的棱骨架, 然后釘上竹膠合板組成的一種結(jié)構(gòu)形式。如圖2墻骨柱：由40mm84mm的膠合竹規(guī)格材組成, 在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下, 可以使用40mm140mm 的墻骨柱,

6、 以便為保溫材料提供足夠的空間。頂梁板和底梁板在樓蓋頂棚處起到防火擋的作用, 并作為墻面板與房屋的裝飾材料提供支撐。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(結(jié)構(gòu)骨架)和次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(墻面板、樓面板和屋面板)共同作用, 承受各種荷載, 最后將荷載傳至基礎(chǔ)。這些密置的骨架構(gòu)件既是結(jié)構(gòu)的主要受力體系, 又是內(nèi)、外墻面和樓屋面面層的支撐構(gòu)架, 還為安裝保溫隔熱層、穿越各種管線提供了空間。主要優(yōu)點：是將樓蓋和墻體分開建造,因此已建成的樓蓋可以作為上部墻體施工時的工作平臺, 如圖3圖2 輕型竹結(jié)構(gòu)墻體圖3 二層樓蓋施工現(xiàn)場3 輕型竹結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系概況9輕型竹結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般采用工廠預(yù)制再搬運至現(xiàn)場拼裝。為加快施工進度, 墻

7、體采用模塊化設(shè)計, 通常墻體可在工作平臺上拼裝, 然后人工抬起就位, 墻體骨架也可在工廠先拼裝好, 再搬運至施工現(xiàn)場就位, 如圖4所示。樓蓋與屋頂輕型竹結(jié)構(gòu)樓蓋體系由間距不大于600mm的擱柵、樓面板和石膏板頂棚組成。底層樓蓋周邊由建筑物基礎(chǔ)墻支承, 樓板跨中由梁或柱支承。屋架安裝：竹結(jié)構(gòu)屋架節(jié)點采用的是成對布置的竹連接板。第1榀屋架的安裝顯得尤為重要, 架在承重墻上安裝定位后, 屋架之間設(shè)置40mm 60mm木方作為永久支撐, 從而保證屋架的側(cè)向穩(wěn)定。安裝中要保證屋架的垂直度, 如圖5所示。圖4 豎起墻體圖5 屋架安裝10屋面防水：屋面采用雙重防水層。在屋面板上用雙層普通防水卷材/兩氈三油0

8、, 其上鋪設(shè)陶瓷瓦片, 形成雙重保護層, 如圖6所示。防水材料安裝時, 應(yīng)從屋檐開始, 由下往上鋪設(shè)。瀝青類屋面材料和陶瓷瓦是坡屋頂中使用最廣泛的屋面材料。圖6 鋪設(shè)屋面防水材料構(gòu)件連接輕型竹結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與構(gòu)件之間均以鋼連接件通過鋼釘或鋼螺栓連接,如圖7所示。這與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中的通過斗拱、榫接等不同, 適合工業(yè)化加工和施工。圖7 構(gòu)件連接方法11設(shè)計方法運用竹結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磚或混凝土砌塊內(nèi)外墻, 可以有效減輕建筑物的自重, 從而減少由建筑物自重所產(chǎn)生的地震作用。同時在地震發(fā)生建筑物震動搖擺時, 不會造成由于砌塊填充墻的墜落造成人員傷亡。剪力墻和橫隔層(即樓蓋、屋蓋)形成的側(cè)向力抵抗系統(tǒng)

9、( LFRS)抵抗風(fēng)荷載或地震作用產(chǎn)生的側(cè)向力。樓屋蓋和剪力強墻形成結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力體系。水平地震作用通過橫向水平構(gòu)件即樓蓋和屋蓋傳至每層剪力墻, 每層剪力墻將所受地震作用傳至底層剪力墻并傳至基礎(chǔ), 如圖8所示。圖8 輕型竹結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力系統(tǒng)式中: C 為基底剪力系數(shù); W為結(jié)構(gòu)自重。采用UBC297規(guī)范 25 , 基底剪力V可以按式( 2)計算。 V =Cv IRTW 215Ca IR W ( 2)式中: Cv、Ca 和R為地震響應(yīng)系數(shù); I為結(jié)構(gòu)重要度系數(shù); T 為自振周期; CvI /RT 和215Ca I /R分別為由地震動速度或加速度決定的基底剪力系數(shù)。根據(jù)等效靜力設(shè)計, 結(jié)構(gòu)基底剪力

10、為 V = CW ( 1)4 輕型竹結(jié)構(gòu)房屋的抗震設(shè)計125 示范建筑（a）第1棟示范建筑于2009年初在湖南大學(xué)土木工程學(xué)院完工, 其建筑面積250m2, 占地面積120m2, 一層設(shè)置有起居室、廚房、兩車位的車庫、2個衛(wèi)生間、餐廳、客廳及壁爐, 二層設(shè)置有1個帶衛(wèi)生間的主臥、2個次臥、1個衛(wèi)生間和1個娛樂平臺。（b)在國際竹藤組織資助下, 于2010年7 8月間在北京紫竹院公園建成了第2棟竹結(jié)構(gòu)示范房并被用作竹產(chǎn)品展示和茶室。建筑面積為110m2, 一層設(shè)有客廳、廚房,二層設(shè)有2個臥室1個衛(wèi)生間。136 二氧化碳排放討論由于木材和竹材都是生物有機體, 其組成的50%為碳元素, 是碳的儲藏庫。CO2能固定存儲于砍伐后的竹材和木材中, 直至材料終結(jié)其使用壽命為止。因此在竹材和木材的生產(chǎn)制造中, 其總的碳平衡數(shù)為負值, 即從大氣中吸收了碳元素。而鋼材、紅磚和混凝土3種常用的建筑材料制造時卻向大氣中排放出大量的CO2、SO2和粉塵。研究發(fā)現(xiàn), 毛竹的固碳能力比一般