采用竹材改造新型抗震安居房的探討

采用竹材改造新型抗震安居房的探討

新型抗震竹質(zhì)工程材料居示范房結(jié)構(gòu)體系2008年5月12日，四川省綿川市發(fā)生8.0號(hào)強(qiáng)震，造成巨大員工傷亡，大量鋼筋混凝土房屋和市政公共設(shè)施倒塌，但許多古木建筑幸存下來(lái)。結(jié)構(gòu)的出色抗疲勞力也得到了國(guó)內(nèi)外的初步證實(shí)。但木材自身存在一些缺陷,且我國(guó)的木材資源十分有限。與之相比較,我國(guó)的竹材資源豐富,竹林面積和產(chǎn)量均居世界第1位,竹材不僅具有與木材相近的性能,而且竹質(zhì)工程材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn),其靜彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量等均優(yōu)于一般的木材,以竹質(zhì)工程材料為基礎(chǔ)的竹結(jié)構(gòu)在生態(tài)性、工業(yè)化、施工、節(jié)能、抗震性能和經(jīng)濟(jì)性方面都具有良好的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于汶川地震的災(zāi)后重建,采用何種結(jié)構(gòu)和材料,建設(shè)什么樣的房屋,已經(jīng)成為黨和政府及全國(guó)人民普遍關(guān)注的重要問(wèn)題。汶川地震發(fā)生后,南京林業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)等有關(guān)單位立即組織人員開展了新型抗震竹質(zhì)工程材料安居示范房的設(shè)計(jì)與建造研究,并得到了中國(guó)工程院的立項(xiàng)資助。目前,基于本文試驗(yàn)結(jié)果所設(shè)計(jì)的抗震安居示范房工程,已在南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)開工建設(shè)。圖1、圖2所示即為針對(duì)汶川地震后村鎮(zhèn)住宅重建所設(shè)計(jì)的新型抗震竹質(zhì)工程材料安居示范房的建筑正立面圖和首層梁柱平面布置圖。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮竹材輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn),借鑒木結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)體系的成功經(jīng)驗(yàn),結(jié)構(gòu)體系總體上采用梁-柱+擱柵-墻骨柱構(gòu)成的多約束、多傳力路徑的受力體系。本文主要針對(duì)該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的需要,對(duì)結(jié)構(gòu)所涉及的竹質(zhì)工程材料基本構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了足尺的試驗(yàn)研究,包括竹材重組材制作的柱、竹材層積材制作的梁。1竹柱法的力學(xué)試驗(yàn)1.1試驗(yàn)材料與方法竹柱采用竹材重組材制作。重組竹又稱重竹,其以竹絲束為基本單元,通過(guò)干燥、浸膠、組坯、熱壓固化而成的一種高強(qiáng)度、高密度、材質(zhì)均勻、紋理美觀的新型竹質(zhì)工程材料。共制作了6個(gè)竹材重組材方柱,邊長(zhǎng)100mm,柱高600mm,分別以Z1～Z6編號(hào)。試驗(yàn)加載裝置采用2000kN壓力機(jī),分級(jí)加載。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量以下內(nèi)容:①軸力:通過(guò)壓力傳感器測(cè)讀;②縱向變形:通過(guò)沿柱軸向四周布設(shè)的電測(cè)位移計(jì)測(cè)量各個(gè)方向的縱向變形;③軸向應(yīng)變:粘貼應(yīng)變片測(cè)讀柱表面縱向應(yīng)變;④觀察記錄破壞形態(tài)。柱截面尺寸、測(cè)點(diǎn)布置及加載情況見(jiàn)圖3。1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析1.2.1柱體破壞形式隨著荷載的持續(xù)增大,在加載的早期,各柱荷載能夠持續(xù)增大;加載到破壞荷載的60%～70%時(shí),多數(shù)柱開始在某個(gè)方向朝一側(cè)外凸;同時(shí),伴隨著輕微的膠的受力繃緊聲音和柱角等薄弱處竹纖維絲受壓屈折的聲響,荷載增加逐漸趨于緩慢,變形增加逐漸加快;最后,荷載達(dá)到最大值,承載力隨即開始下降。竹柱典型破壞形式可歸納為兩種(如圖4),第1種為受壓彎曲變形過(guò)大,承載能力不能繼續(xù)增加,破壞時(shí)呈顯著彎曲狀,破壞征兆明顯,如Z1、Z3～Z6;第2種破壞形式為頂部纖維受壓在橫向炸開,破壞時(shí)柱的變形主要沿軸向,無(wú)明顯側(cè)向變形,破壞突然、劇烈,如Z2。對(duì)6個(gè)試件的總結(jié)可看出,由于尺寸、加載偏心等誤差,多數(shù)試件發(fā)生的破壞形式屬于第1種。1.2.2第2階段荷載與位移的關(guān)系圖5給出各柱的荷載-位移曲線。從圖5可見(jiàn),竹柱的荷載-位移關(guān)系曲線可分為兩個(gè)階段,第1階段為彈性階段,荷載與位移呈線性關(guān)系;在第2階段,隨著荷載的繼續(xù)增加,柱豎向位移增幅加大,曲線趨于平緩,荷載與位移呈非線性關(guān)系。值得注意的是,卸載階段的荷載-位移曲線表明竹材具有優(yōu)異的彈性恢復(fù)能力,80%以上的變形在卸去荷載后能夠得到恢復(fù),這對(duì)于結(jié)構(gòu)在地震中保持較好的延性、耗能能力及較小的震后殘余變形具有重要的意義。1.2.3彈性極限強(qiáng)度各竹柱試件的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。其中,彈性極限荷載和強(qiáng)度定義為彈性階段結(jié)束點(diǎn),最大撓度指對(duì)應(yīng)最大荷載時(shí)的撓度。由表1可以看出,對(duì)于彈性極限荷載,最大值為440kN,最小值為340kN,平均值為415kN;對(duì)于最大荷載,最大值為644kN,最小值為530kN,平均值為613kN,標(biāo)準(zhǔn)差50.26kN;各試件相應(yīng)的彈性極限強(qiáng)度平均值約為極限強(qiáng)度的67.7%。其保證率≮95%的極限強(qiáng)度和彈性極限強(qiáng)度分別為53.0MPa、34.3MPa。2朱良的力學(xué)性能測(cè)試2.1試驗(yàn)加載制度及過(guò)程竹梁采用竹材層積材制作。竹材層積材是用一定規(guī)格的竹篾,經(jīng)干燥、浸膠、干燥、組坯、熱壓固化而成的一種竹材人造板,又稱為竹材層壓板。共制作了10個(gè)竹材層積材矩形梁,截面寬30mm,截面高100mm,長(zhǎng)度2000mm,分別以L1～L10編號(hào)。試驗(yàn)加載裝置采用恒載試驗(yàn)機(jī),兩點(diǎn)加載,加荷點(diǎn)間距600mm。在正式加載前,先預(yù)加1kN荷載對(duì)試件預(yù)壓,檢查儀器工作是否正常以及消除接觸不良現(xiàn)象;正式加載時(shí),先每級(jí)加載0.1kN至1kN,再每級(jí)加載0.5kN,至接近破壞時(shí)每級(jí)加載0.1kN,以試件承受的最大荷載為極限荷載。試驗(yàn)過(guò)程中架設(shè)百分表測(cè)量支座、L/4、3/4L及跨中位移變化;粘貼應(yīng)變片測(cè)讀梁跨中截面梁底、梁頂及沿高度應(yīng)變變化;觀察記錄破壞形態(tài)。梁截面尺寸、測(cè)點(diǎn)布置及加載情況見(jiàn)圖6。2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.2.1竹梁破壞形式在竹梁試驗(yàn)過(guò)程中,撓度隨荷載的增加而逐漸加大,多數(shù)梁在加載到破壞荷載的50%之后逐漸出現(xiàn)竹纖維的斷裂聲,在荷載達(dá)到最大值后,承載能力迅速下降,破壞時(shí)的跨中撓度普遍達(dá)到較大值(一般>L/40),梁整體變形顯著,破壞征兆明顯。竹梁典型破壞形式可歸納為3種(如圖7所示),第1種為梁頂部竹篾層間受壓屈曲破壞(如L1、L2),破壞時(shí)在屈曲處截面橫向發(fā)生分層,整體側(cè)向發(fā)生扭曲,此種破壞形式的承載力較低;第2種破壞形式為梁底部纖維拉斷,這是由于竹纖維拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂,同時(shí)達(dá)到最大承載能力;第3種破壞形式為底部纖維斜向撕裂,其破壞往往始于跨中純彎段,經(jīng)加載點(diǎn)向端部彎剪區(qū)域發(fā)展,應(yīng)該是彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用的結(jié)果,如L3、L4、L6、L8～L10等。此種破壞形式的破壞過(guò)程持續(xù)較長(zhǎng),承載力下降較為緩慢,是比較理想的破壞形式。概況來(lái)講,絕大多數(shù)試件發(fā)生的是第3種破壞形式,只有個(gè)別試件發(fā)生了橫向分層、屈曲破壞,建議在實(shí)際工程中進(jìn)一步提高壓制的壓力和密度,以避免發(fā)生第1種破壞形式。2.2.2梁的撓度分析各梁的荷載-位移曲線如圖8所示。由圖8可以看出,竹梁從加載初始直至破壞發(fā)生之前,其工作基本處于彈性階段,在加載后期,局部破壞逐漸發(fā)生,曲線出現(xiàn)一平緩段,隨后承載力迅速下降;所有的梁在破壞時(shí)的撓度均較大,多數(shù)達(dá)到50mm以上(>L/36)。根據(jù)GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,作為受彎構(gòu)件的梁和格柵的撓度限值為L(zhǎng)/250,各試驗(yàn)梁破壞時(shí)的撓度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這一限值。因此,竹梁可承受的荷載實(shí)際上是由剛度控制的,而非強(qiáng)度控制。2.2.3拉伸性能和極限承載力各竹梁試件的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)于最大荷載,最大值為13.0kN,最小值為5.5kN,平均值為10.1kN,標(biāo)準(zhǔn)差2.4kN,相應(yīng)的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值為60.7MPa,標(biāo)準(zhǔn)差14.5MPa,其保證率≮95%的彎曲抗拉強(qiáng)度為36.8MPa。由表2數(shù)據(jù)可見(jiàn),試驗(yàn)梁的極限承載力和強(qiáng)度的離散度較大,而且部分梁的極限承載力較平均值小很多,其原因可能是因?yàn)樵撆航?jīng)歷過(guò)雨淋,含水率較高,對(duì)其承載力的影響較大。另外,表2給出了各梁對(duì)應(yīng)撓度限值時(shí)的荷載值,平均為2.19kN,約為極限承載力的21.6%,這對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算中評(píng)估變形控制的竹梁承載力,具有重要的參考意義。2.2.4彎曲彈性模量表3給出各試驗(yàn)梁在彈性階段,對(duì)應(yīng)不同荷載時(shí)的跨中位移和相應(yīng)的彎曲彈性模量。在2.0kN時(shí),彎曲彈性模量平均為12684MPa,標(biāo)準(zhǔn)差1723MPa;在4.0kN時(shí),彎曲彈性模量平均為11873MPa,標(biāo)準(zhǔn)差1605MPa。隨著荷載的增大,彎曲彈性模量逐漸降低。對(duì)比表2可知,對(duì)應(yīng)撓度限值時(shí)的荷載值平均為2.19kN,處于表3所給荷載的范圍內(nèi)。最終,彎曲彈性模量取10000MPa,具有將近95%的保證率,建議變形驗(yàn)算時(shí)可按此取值。3試驗(yàn)梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)3.1竹材具有諸多的優(yōu)良特性,是建筑行業(yè)的理想材料;竹結(jié)構(gòu)房屋抵御高強(qiáng)度地震的試驗(yàn)表明,用作試驗(yàn)的竹屋能抵御7.8級(jí)地震而安然無(wú)恙。因此,本課題組提出采用竹質(zhì)工程材料建造新型抗震安居房。本文則主要針對(duì)該工程所涉及的竹質(zhì)工程材料基本構(gòu)件進(jìn)行了足尺的試驗(yàn)研究,包括竹材重組材柱、竹材層積材梁。3.2對(duì)于竹材重組材柱,典型的兩種破壞形式為橫向彎曲變形過(guò)大不能繼續(xù)承載和頂部纖維受壓在橫向炸開;竹柱在卸載后能夠恢復(fù)80%以上的變形,具有優(yōu)異的彈性恢復(fù)能力;試驗(yàn)柱的≮95%保證率的極限強(qiáng)度和彈性極限強(qiáng)度分別為53.0MPa、34.3MPa。3.3對(duì)于竹材層積材梁,典型的3種破壞形式是梁頂部竹篾層間受壓屈曲破壞、梁底部纖維拉斷和底部